1 引言

半導(dǎo)體激光器可靠性評估系統(tǒng)是高效能激光器研制過程中必不可少的測試設(shè)備之一。由于半導(dǎo)體激光器體積小、振蕩閾值低、效率高，在通訊、信息記錄、打印和顯示、材料加工、醫(yī)療、抽運(yùn)固體激光器等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。近幾年來，半導(dǎo)體照明工程的啟動更引起了世界各國的普遍關(guān)注。然而，對于半導(dǎo)體激光器在任何領(lǐng)域的應(yīng)用，總希望其能長期可靠的工作，因此對半導(dǎo)體激光器可靠性和壽命測試的研究已成為當(dāng)前的熱點。本文設(shè)計的半導(dǎo)體激光器可靠性評估系統(tǒng)以單片機(jī)為主控部件，不僅可以實現(xiàn)驅(qū)動電流連續(xù)可調(diào)(0～3A)，還可實現(xiàn)老化溫度連續(xù)可調(diào)(室溫～150℃)，該設(shè)備還能預(yù)置工作電流值和工作溫度值，實時顯示當(dāng)前工作電流及工作溫度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為驅(qū)動電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要由AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)、MOS管驅(qū)動電路、調(diào)整采樣電路和保護(hù)電路四部分組成。

為了有效預(yù)測半導(dǎo)體激光器的壽命，首先必須為其提供安全、穩(wěn)定的驅(qū)動電流，使其能夠穩(wěn)定工作。我們知道半導(dǎo)體激光器的發(fā)光功率在一定范圍內(nèi)幾乎與驅(qū)動電流成正比，因此，要使半導(dǎo)體激光器的發(fā)射光功率穩(wěn)定，宜采用恒流驅(qū)動電路。本系統(tǒng)中的驅(qū)動電路由單片機(jī)、D/A、調(diào)整電路、MOS管驅(qū)動電路、采樣電路、A/D等幾部分構(gòu)成的軟、硬件閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)。采樣電路將采集到的信號送到單片機(jī)并與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過相關(guān)算法計算出偏移量并送調(diào)整電路，從而實現(xiàn)恒流輸出。系統(tǒng)中的鍵盤主要用于設(shè)定工作電流、開關(guān)機(jī)等，數(shù)碼管用于顯示設(shè)定值和實際輸出值，鍵盤和顯示功能均由一片BC7281及相應(yīng)的外圍器件完成。系統(tǒng)外圍還增加了一片x5045，該芯片是帶有串行EEPROM的CPU監(jiān)控器，主要用于完成系統(tǒng)復(fù)位、保存預(yù)置參數(shù)等功能。

2.2 電流控制電路

在系統(tǒng)電流控制電路中，主要由MOS管來實現(xiàn)電流擴(kuò)展，MOS管驅(qū)動電路如圖2所示。

由于本可靠性評估系統(tǒng)不僅可以對小功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行可靠性試驗，還可用于大功率器件的可靠性測試，因此要求驅(qū)動電路能夠輸出較大的驅(qū)動電流。本設(shè)備驅(qū)動電路采用工作電流非常大的功率MOSFETs作為電流控制器件。考慮到在輸出電流最大情況下，如果使用一個MOS管，則發(fā)熱情況非常嚴(yán)重，所以本系統(tǒng)采用四片并聯(lián)形式[2]。此外，由于大功率器件的參數(shù)一致性較差，所以應(yīng)通過晶體管特性曲線圖示儀挑選一致性較好的器件(其中R11~R14為均流電阻)，以及進(jìn)一步確保流過每個MOS管的電流基本相等，防止個別管子過熱而影響系統(tǒng)的正常工作。圖2中Rt為熱敏電阻，具有負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)激光器驅(qū)動電流升高時，MOS管的發(fā)熱使Rt阻值下降，MOS管柵極電壓降低，漏極電流下降，完成了硬件系統(tǒng)的電流調(diào)整，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。本設(shè)計有效的保護(hù)措施之一是采用繼電器保護(hù)。激光器兩端并聯(lián)的常閉繼電器不僅可以避免激光器受到靜電的損壞，還可以通過設(shè)置繼電器的開關(guān)順序有效防止電源接通和斷開瞬間浪涌電流對激光器的損壞。

2.3 溫度控制環(huán)節(jié)