一种LD泵浦固体激光器电源的设计

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一种LD泵浦固体激光器电源的设计


摘要：半导体LD泵浦固体激光器对电源要求很高，需要电源具有慢启动和微机控制激光功率的功能，同时应具有抗电网浪涌和滤除噪声以及保护等功能。文章介绍了这种新型LD激光器电源的电路原理和微控制程序。
关键词：泵浦 电网浪涌 慢启动 微控制器     半导体二极管LD泵浦固体激光器（以下简称LD激光器）以其发热少、光泵耦合方便、结构设计简单， 安装灵活方便、工作稳定、牢固耐用等优点被广泛应用在激光血管内照射血液（ILLLI）治疗仪中作为激光泵浦源。但是，这种LD激光器在电路装配或工作过程中易受电压、电流或静电荷浪涌的冲击而造成损坏。同时，由于这种LD激光器不能承受电流突变的浪涌冲击。因此，对使用功能不完善的简单电源LD激光器来说，在每次开机时，必须在接电源后，再慢慢地将激光器的工作电流调到需要的适当值。而每次关机时，又必须先将激光器的工作电流慢慢地调到零，然后再关闭电源。这对激光器的工作很不安全，也给ILLLI激光血疗仪的使用带来极大的不便。
    为此，要设计一个好的LD激光器电源，就必须保证LD激光器能在各种类型的浪涌冲击情况下安全工，包括LD激光电源的任意开启和关闭。因此，新型半导体激光器的电源除了具有一定的电源稳定输出，还应针对LD激光器的安全工作的特殊要求，在电源电路中设计一系列的保护措施。
1 LD激光器电源的慢启动电路
    为使LD激光电源任意开启和关闭而不损坏，可以在LD激光使电源电路中安排一个慢启动电路，以使电源开启和关闭时LD激光器的正向电流iF可以随时间缓慢变化，从而保证LD激光器不因电源开启和关闭而损坏。其慢启动电路的原理图如图1所示。
    图中，Vi为输入直流稳定电压，K闭合表示电源开启的Vi接入瞬间。RC为充电电路，随着电容C上充电电压的上升（负值），PNP型三极管T1由截止进入导通状态，直至饱和导通。由于电感L有减缓电流增长速度的作用，而T2的导通电流可同时提供给LD激光器作供电电流iF，因此流过LD激光器的供电电流也必然是慢速增加的。
    由图中可以看出：LD供电电流iF的增长速度取决于RC的数值。合理选取RC的值便可以确定iF的增加时间。
2 LD电源电流可调的实现
    在ILLLI激光血疗仪中，往往要对固体激光器的光功率在一定范围内进行调整输出。调节光功率的方法有很多，有用挡光板或偏振片的机械光学原理方法调节的，也有利于LD发光功率与驱动电流之间的对应关系来调节驱动电流的方法来实现光功率调节的。本ILLLI血疗仪就采用了后一种光功率调节方法，这种方法要求LD激光器的供电电源设计有输出电流可调系统。LD激光器驱动电流和输出光功率的对应关系如表1所列。

表1 LD激光器驱动电流和输出光功率的对应关系

驱动电流I（mA）	440	550	660	720	780	890
LD输出光功率（mW）	3.0	5.7	8.1	9.6	10.9	13.3

    由表中数据可知，当驱动电流为890mA时，LD激光器输出光功率为13.3mW，经光纤光针耦合后的输出光功率大于5mW，可满足ILLLI血疗仪的要求，而LD激光器的阈值驱动电流为300mA，笔者将LD电流的电流可调范围定为0.3～1A。
    要实现LD电源输出电流可调，可将图1电路中T2的基极电阻R1用可调电阻RW+Rs替换，具体电路如图2所示。图中，Rs为一个固定的起始电阻，用以防止T2电流太大而地进入饱和。当RW=0时，T2基极电阻为Rs，此时基极电流最大。因而R2的输出电流Ic2也达到最大值ICmax=1A。而当RW调节到最大值Rm时，R2的基极电阻为Rs+Rm，此时的基极电流最小，因而T2的输出电流IC2也为最小Icmin=0.3A。假设Vi为24V，T2管的β=100，并忽图T1、T2管导通电压VBE(on)和L上的压降时，可选用Rs=2.4kΩ，RW为0～5.6kΩ的电位器（可调电阻）。

3 LD电流电流可调的控制系统
    在实际的激光血疗仪中，如果使用可调电阻来调节输出电流iF,将有可能由于电位器的频繁旋转而使得滑片与电阻丝之间的某些接触点脱离，从而使可变电阻在调节过程中不断出现断路点。这些断路点将使输出电流iF产生突变而形成脉冲电流从而损坏LD激光器。为了改善电流调节的安全可靠性，可以用单片微机控制系统来实现LD电源输出电流的可调功能。另外，采用单片微机系统，还可以进一步增加LD电源的使用功能，如显示、定时和报时功能等。
    LD电源的单片微机控制系统是采用美国Microchip技术公司的PIC系列微控制器PIC16C55。该单片机采用精简指令集、两级流水线指令结构和哈佛（Harvard）双总线结构，是一个高性价比的8位嵌入式微控制器。同时，该单片机还具有工作电压低（最低工作电压可为3V）、功耗低（3V，32kHz时钟下的工作电流为15μA）、输出驱动LED能力大以及编程方便等特点。其单片微控制器系统电路如图3所示。图中D/A转换器DAC0832和集成运放LF356可将微控制器PIC16C55的RB口输出的数字信号转化为模拟控制电压，这样就可以直接控制T2的基极来调节电流iF。
    在微控制器系统开机时，首先将双掷开关K1、K2打向高电平一边。RC7口由K1接向高电平，系统软件进入预置状态，从而使用户可以设置电源输出电流范围。调整S1～S4四个按键可将LD电源的输出电流调到所需值。此时，再按下S5确认键以确认电流范围。而RC0口的红色指示灯点亮则表示系统已进入输出等待状态。再将双掷开关K1、K2打向低电平一边，使绿灯熄灭；RC7由K向低电平，系统进入输出状态；按下S6键，则微控制系统从慢启动程序开始控制LD电源并向LD激光器供电。这时，S1～S4四个按键，可调节LD电源输出电流iF，以实现LD激光器功率的调节。同时，S1～S4还兼作工作时间的调节以控制激光血疗时间。另外，电路中还安排了语音提示电路。在电源进入稳定工作以后，如果发生异常情况，则可按下S6键以使系统软件控制LD电源停止供电，来保护LD激光器。微控制器系统软件程序框图如图4所示。该微控制器LD电源与LD激光器已成功设计应用在ILLLI绿光血疗仪中，目前正在试用，效果良好。

李小路

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