半导体激光器可靠性评估系统设计

　　1 引言

　　半导体激光器可靠性评估系统是高效能激光器研制过程中必不可少的测试设备之一。由于半导体激光器体积小、振荡阈值低、效率高，在通讯、信息记录、打印和显示、材料加工、医疗、抽运固体激光器等许多领域有着广泛的应用[1]。近几年来，半导体照明工程的启动更引起了世界各国的普遍关注。然而，对于半导体激光器在任何领域的应用，总希望其能长期可靠的工作，因此对半导体激光器可靠性和寿命测试的研究已成为当前的热点。本文设计的半导体激光器可靠性评估系统以单片机为主控部件，不仅可以实现驱动电流连续可调(0～3A)，还可实现老化温度连续可调(室温～150℃)，该设备还能预置工作电流值和工作温度值，实时显示当前工作电流及工作温度。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 系统结构及工作原理

　　图1为驱动电路系统结构框图，主要由AT89C51单片机系统、MOS管驱动电路、调整采样电路和保护电路四部分组成。

　　

 

　　为了有效预测半导体激光器的寿命，首先必须为其提供安全、稳定的驱动电流，使其能够稳定工作。我们知道半导体激光器的发光功率在一定范围内几乎与驱动电流成正比，因此，要使半导体激光器的发射光功率稳定，宜采用恒流驱动电路。本系统中的驱动电路由单片机、D/A、调整电路、MOS管驱动电路、采样电路、A/D等几部分构成的软、硬件闭环系统实现。采样电路将采集到的信号送到单片机并与设定值进行比较，通过相关算法计算出偏移量并送调整电路，从而实现恒流输出。系统中的键盘主要用于设定工作电流、开关机等，数码管用于显示设定值和实际输出值，键盘和显示功能均由一片BC7281及相应的外围器件完成。系统外围还增加了一片x5045，该芯片是带有串行EEPROM的CPU监控器，主要用于完成系统复位、保存预置参数等功能。

　　2.2 电流控制电路

　　在系统电流控制电路中，主要由MOS管来实现电流扩展，MOS管驱动电路如图2所示。

　　

 

　　由于本可靠性评估系统不仅可以对小功率半导体激光器进行可靠性试验，还可用于大功率器件的可靠性测试，因此要求驱动电路能够输出较大的驱动电流。本设备驱动电路采用工作电流非常大的功率MOSFETs作为电流控制器件。考虑到在输出电流最大情况下，如果使用一个MOS管，则发热情况非常严重，所以本系统采用四片并联形式[2]。此外，由于大功率器件的参数一致性较差，所以应通过晶体管特性曲线图示仪挑选一致性较好的器件(其中R11~R14为均流电阻)，以及进一步确保流过每个MOS管的电流基本相等，防止个别管子过热而影响系统的正常工作。图2中Rt为热敏电阻，具有负温度系数，当激光器驱动电流升高时，MOS管的发热使Rt阻值下降，MOS管栅极电压降低，漏极电流下降，完成了硬件系统的电流调整，提高了系统稳定性。本设计有效的保护措施之一是采用继电器保护。激光器两端并联的常闭继电器不仅可以避免激光器受到静电的损坏，还可以通过设置继电器的开关顺序有效防止电源接通和断开瞬间浪涌电流对激光器的损坏。

　　2.3 温度控制环节

　　由于半导体激光器的寿命较长，因此通常采用高温加速寿命测试方法[3]，得到高温下寿命后，再根据加速寿命数学模型得到器件常温或其他温度条件下的工作寿命。温度控制系统主要用于提供半导体激光器老化和寿命实验的工作环境，包括加热器件、均热板、温度传感器和温度调节等几部分。由于本系统可同时对大批激光器(最多50只)进行可靠性试验，为了保证各激光器能在相同温度条件下进行可靠性试验，本设备将均热板分为两个工作区，每个区温度单独控制，以确保各激光器工作温度相同。温度采用PID调节控制，可调精度达±0.5℃。温度控制环节有单独的显示部件，可预置工作温度，实时显示当前工作温度。

　　3 系统软件设计

　　系统软件部分包括主程序、键、显示及电流控制模块。在系统加电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括12位A/D转换芯片MAX187、12位D/A转换芯片MAX531、串行口、中断、定时/计数器等工作状态的设定，从x5045种读取预置参数并显示预置值等。然后扫描获取键值，执行相应功能子程序。当启动键按下后，根据预置值计算对应输出的数字量送D/A，进行闭环反馈调整(图3)。在电流调整过程中，用PID算法进行控制。

　　

 

　　4 结束语

　　设计的基于单片机控制的半导体激光器可靠性评估系统可对各种半导体激光器进行可靠性测试，由于采用了单片机与输出双回路闭环反馈控制，配以各种软、硬件保护及抗干扰措施，提高了系统长期使用的精度及稳定性。此外，该系统中电流的精度与A/D，D/A的位数有密切关系。若采用16位A/D、D/A转换器进行相应的闭环调整，电流精度会进一步提高。本文设计的可靠性评估系统在实验室已获得较好的应用。