1 引言

半導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，因此對半導體激光器可靠性和壽命測試的研究已成為當前的熱點。本文設(shè)計的半導體激光器可靠性評估系統(tǒng)以單片機為主控部件，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)備還能預置工作電流值和工作溫度值，實時顯示當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單片機系統(tǒng)、MOS管驅(qū)動電路、調(diào)整采樣電路和保護電路四部分組成。

為了有效預測半導體激光器的壽命，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、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并與設(shè)定值進行比較，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)復位、保存預置參數(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體激光器進行可靠性試驗，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?？紤]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，具有負溫度系數(shù)，當激光器驅(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)計有效的保護措施之一是采用繼電器保護。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)

由于半導體激光器的壽命較長，因此通常采用高溫加速壽命測試方法[3]，得到高溫下壽命后，再根據(jù)加速壽命數(shù)學模型得到器件常溫或其他溫度條件下的工作壽命。溫度控制系統(tǒng)主要用于提供半導體激光器老化和壽命實驗的工作環(huán)境，包括加熱器件、均熱板、溫度傳感器和溫度調(diào)節(jié)等幾部分。由于本系統(tǒng)可同時對大批激光器(最多50只)進行可靠性試驗，為了保證各激光器能在相同溫度條件下進行可靠性試驗，本設(shè)備將均熱板分為兩個工作區(qū)，每個區(qū)溫度單獨控制，以確保各激光器工作溫度相同。溫度采用PID調(diào)節(jié)控制，可調(diào)精度達±0.5℃。溫度控制環(huán)節(jié)有單獨的顯示部件，可預置工作溫度，實時顯示當前工作溫度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分包括主程序、鍵、顯示及電流控制模塊。在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括12位A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX187、12位D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX531、串行口、中斷、定時/計數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)定，從x5045種讀取預置參數(shù)并顯示預置值等。然后掃描獲取鍵值，執(zhí)行相應(yīng)功能子程序。當啟動鍵按下后，根據(jù)預置值計算對應(yīng)輸出的數(shù)字量送D/A，進行閉環(huán)反饋調(diào)整(圖3)。在電流調(diào)整過程中，用PID算法進行控制。

4 結(jié)束語

設(shè)計的基于單片機控制的半導體激光器可靠性評估系統(tǒng)可對各種半導體激光器進行可靠性測試，由于采用了單片機與輸出雙回路閉環(huán)反饋控制，配以各種軟、硬件保護及抗干擾措施，提高了系統(tǒng)長期使用的精度及穩(wěn)定性。此外，該系統(tǒng)中電流的精度與A/D，D/A的位數(shù)有密切關(guān)系。若采用16位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器進行相應(yīng)的閉環(huán)調(diào)整，電流精度會進一步提高。本文設(shè)計的可靠性評估系統(tǒng)在實驗室已獲得較好的應(yīng)用。