1 引言

半導(dǎo)體激光器可靠性評(píng)估系統(tǒng)是高效能激光器研制過程中必不可少的測(cè)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(dòng)更引起了世界各國(guó)的普遍關(guān)注。然而，對(duì)于半導(dǎo)體激光器在任何領(lǐng)域的應(yīng)用，總希望其能長(zhǎng)期可靠的工作，因此對(duì)半導(dǎo)體激光器可靠性和壽命測(cè)試的研究已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器可靠性評(píng)估系統(tǒng)以單片機(jī)為主控部件，不僅可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流連續(xù)可調(diào)(0～3A)，還可實(shí)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(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工作電流及工作溫度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電路。本系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)、D/A、調(diào)整電路、MOS管驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。采樣電路將采集到的信號(hào)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(jì)算出偏移量并送調(diào)整電路，從而實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)電流擴(kuò)展，MOS管驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

由于本可靠性評(píng)估系統(tǒng)不僅可以對(duì)小功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，還可用于大功率器件的可靠性測(cè)試，因此要求驅(qū)動(dòng)電路能夠輸出較大的驅(qū)動(dòng)電流。本設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè)MOS管的電流基本相等，防止個(gè)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(dòng)電流升高時(shí)，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(jì)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(duì)激光器的損壞。

2.3 溫度控制環(huán)節(jié)

由于半導(dǎo)體激光器的壽命較長(zhǎng)，因此通常采用高溫加速壽命測(cè)試方法[3]，得到高溫下壽命后，再根據(jù)加速壽命數(shù)學(xué)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(dǎo)體激光器老化和壽命實(shí)驗(yàn)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(shí)對(duì)大批激光器(最多50只)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，為了保證各激光器能在相同溫度條件下進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，本設(shè)備將均熱板分為兩個(gè)工作區(qū)，每個(gè)區(qū)溫度單獨(dú)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(dá)±0.5℃。溫度控制環(huán)節(jié)有單獨(dú)的顯示部件，可預(yù)置工作溫度，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工作溫度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(shí)/計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)定，從x5045種讀取預(yù)置參數(shù)并顯示預(yù)置值等。然后掃描獲取鍵值，執(zhí)行相應(yīng)功能子程序。當(dāng)啟動(dòng)鍵按下后，根據(jù)預(yù)置值計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量送D/A，進(jìn)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(jìn)行控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)控制的半導(dǎo)體激光器可靠性評(píng)估系統(tǒng)可對(duì)各種半導(dǎo)體激光器進(jìn)行可靠性測(cè)試，由于采用了單片機(jī)與輸出雙回路閉環(huán)反饋控制，配以各種軟、硬件保護(hù)及抗干擾措施，提高了系統(tǒng)長(zhǎng)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(jìn)行相應(yīng)的閉環(huán)調(diào)整，電流精度會(huì)進(jìn)一步提高。本文設(shè)計(jì)的可靠性評(píng)估系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室已獲得較好的應(yīng)用。