1 引言

半導體激光器可靠性評估系統是高效能激光器研制過程中必不可少的測試設備之一。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、醫療、抽運固體激光器等許多領域有著廣泛的應用[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注。然而，對于半導體激光器在任何領域的應用，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。本文設計的半導體激光器可靠性評估系統以單片機為主控部件，不僅可以實現驅動電流連續可調(0～3A)，還可實現老化溫度連續可調(室溫～150℃)，該設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 系統硬件設計

2.1 系統結構及工作原理

圖1為驅動電路系統結構框圖，主要由AT89C51單片機系統、MOS管驅動電路、調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、穩定的驅動電流，使其能夠穩定工作。我們知道半導體激光器的發光功率在一定范圍內幾乎與驅動電流成正比，因此，要使半導體激光器的發射光功率穩定，宜采用恒流驅動電路。本系統中的驅動電路由單片機、D/A、調整電路、MOS管驅動電路、采樣電路、A/D等幾部分構成的軟、硬件閉環系統實現。采樣電路將采集到的信號送到單片機并與設定值進行比較，通過相關算法計算出偏移量并送調整電路，從而實現恒流輸出。系統中的鍵盤主要用于設定工作電流、開關機等，數碼管用于顯示設定值和實際輸出值，鍵盤和顯示功能均由一片BC7281及相應的外圍器件完成。系統外圍還增加了一片x5045，該芯片是帶有串行EEPROM的CPU監控器，主要用于完成系統復位、保存預置參數等功能。

2.2 電流控制電路

在系統電流控制電路中，主要由MOS管來實現電流擴展，MOS管驅動電路如圖2所示。

由于本可靠性評估系統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，因此要求驅動電路能夠輸出較大的驅動電流。本設備驅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，則發熱情況非常嚴重，所以本系統采用四片并聯形式[2]。此外，由于大功率器件的參數一致性較差，所以應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的正常工作。圖2中Rt為熱敏電阻，具有負溫度系數，當激光器驅動電流升高時，MOS管的發熱使Rt阻值下降，MOS管柵極電壓降低，漏極電流下降，完成了硬件系統的電流調整，提高了系統穩定性。本設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，還可以通過設置繼電器的開關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 溫度控制環節

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，再根據加速壽命數學模型得到器件常溫或其他溫度條件下的工作壽命。溫度控制系統主要用于提供半導體激光器老化和壽命實驗的工作環境，包括加熱器件、均熱板、溫度傳感器和溫度調節等幾部分。由于本系統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，本設備將均熱板分為兩個工作區，每個區溫度單獨控制，以確保各激光器工作溫度相同。溫度采用PID調節控制，可調精度達±0.5℃。溫度控制環節有單獨的顯示部件，可預置工作溫度，實時顯示當前工作溫度。

3 系統軟件設計

系統軟件部分包括主程序、鍵、顯示及電流控制模塊。在系統加電后，主程序首先完成系統初始化，其中包括12位A/D轉換芯片MAX187、12位D/A轉換芯片MAX531、串行口、中斷、定時/計數器等工作狀態的設定，從x5045種讀取預置參數并顯示預置值等。然后掃描獲取鍵值，執行相應功能子程序。當啟動鍵按下后，根據預置值計算對應輸出的數字量送D/A，進行閉環反饋調整(圖3)。在電流調整過程中，用PID算法進行控制。

4 結束語

設計的基于單片機控制的半導體激光器可靠性評估系統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反饋控制，配以各種軟、硬件保護及抗干擾措施，提高了系統長期使用的精度及穩定性。此外，該系統中電流的精度與A/D，D/A的位數有密切關系。若采用16位A/D、D/A轉換器進行相應的閉環調整，電流精度會進一步提高。本文設計的可靠性評估系統在實驗室已獲得較好的應用。