基于STM32的半导体激光器驱动电路设计

［摘 要］文章对基于STM32 的半导体激光器驱动电路进行设计，介绍了半导体激光器的基本原理和应用场景，分析了现有驱动电路设计存在的问题，提出了一种基于STM32 的新型驱动电路设计方案。在设计过程中，充分考虑了电路的稳定性、可靠性。结果表明，该驱动电路设计能够有效控制激光器的输出功率和频率，且具有较高的稳定性和可调性。

［关键词］STM32 ；半导体激光器；驱动电路；控制；精确控制

［中图分类号］TN248.4 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）09–0045–03

半导体激光器是一种重要的光电子器件，具有电光转换效率高、功耗低、寿命长、体积小等优点，广泛应用于光纤通信、激光测距、激光切割、激光医疗等领域。激光器的性能受驱动电路的影响较大，驱动电路需要为激光器提供稳定可靠、精确的电流和温度控制，以保证激光器的稳定输出和使用寿命。传统激光器驱动电路多采用模拟电路设计，电路结构复杂，调试困难，使用精度难以保证。随着嵌入式技术的不断发展，基于微处理器的数字控制驱动电路逐渐成为主流，其中STM32 系列单片机以其高性能、低成本、低功耗、丰富的外设接口等优点在激光器驱动电路设计中得到了广泛应用。

1 半导体激光器工作原理

半导体激光器工作原理基于半导体材料的特性。半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，在半导体中存在电子和空穴两种载流子。在外加电场作用下，电子从N 区（富电子区）向P 区（富空穴区）流动，空穴则从P 区向N 区流动，这种电子和空穴的流动形成电流。半导体激光器通常由P 型半导体和N 型半导体组成，其中N 型半导体中富含自由电子，而P 型半导体中则富含空穴。两种半导体材料结合形成的PN 结，被称为“激活层”。当施加外加电压时，电子从N 区向P 区跃迁，与空穴复合，这些复合过程会释放出能量，这些能量释放的方式有辐射和非辐射两种。在激活层中，电子从高能级跃迁到低能级时，会通过辐射的方式释放出能量，产生光子。这些光子会与其他激活层内的电子发生相互作用，进一步产生大量光子，该过程被称为“光放大”。

在激活层两侧，分别设置一对反射镜，其中一个镜子是半透明的，允许部分光子通过；而另一个镜子则是完全反射的，通过反射镜反射，光子被限制在激活层内来回传播，形成一个光学谐振腔。只有当光子的频率和谐振腔的固有频率匹配时，光子才能得到放大，形成激光。因此，半导体激光器的工作原理为，通过施加外加电压，电子与空穴在PN 结中复合，产生光子；光子与其他激活层内的电子相互作用，进一步产生大量光子；通过反射镜的反射，光子在激活层内来回传播，形成光学谐振腔；当光子的频率和谐振腔的固有频率匹配时，光子得到放大，形成激光。

2 基于STM32的半导体激光器驱动电路整体设计

半导体激光器驱动电路整体设计是一项关键任务，其在实现激光器的稳定工作和性能优化方面起着重要作用。除了激光器件LD（镭射二极管）本身外，还需要集成其他辅助元件，如TEC（半导体制冷器）、热敏电阻及光敏二极管。半导体激光器的稳定工作对于整个电路的性能至关重要。在激光器工作过程中，温度变化会直接影响激光器的输出功率和波长稳定性。为了解决该问题，集成了TEC 来控制激光器的温度，TEC 通过珀尔帖效应将热量从激光器中移走，从而保持激光器的温度稳定。同时，为了监测激光器的温度变化，集成了热敏电阻。热敏电阻可根据温度的变化来改变电阻值，通过测量电阻值的变化可以得到激光器的温度信息，放大处理热敏电阻信号，实现对激光器温度的精确控制。为了检测激光器的输出功率，还集成了光敏二极管。光敏二极管可将激光器的输出光信号转化为电信号，通过测量电信号的强度可以得到激光器的输出功率。通过对光敏二极管信号进行放大和处理，可实现对激光器输出功率的实时监测和控制。

基于STM32 的半导体激光器驱动电路利用STM32 的ADC 功能实时监测激光器的温度，并控制TEC 和热敏电阻进行精确的温度调节，保证激光器工作在最佳温度范围内。通过STM32 的PWM 信号调节恒流电路的占空比，以精确控制激光器的输出电流。利用STM32 的ADC 功能实时检测激光器内部的光敏二极管电压，从而计算出实际的输出光强，实现闭环控制。通过串口等接口，实现STM32与上位机的通信，接收上位机指令并上传温度、光强等数据，设计过温、过流等保护电路，确保激光器工作的安全性和稳定性。硬件电路设计包括恒流源电路、TEC 控制电路、光强检测电路、温度检测电路等，并选择合适的元器件，设计电路原理图和PCB 板，编写STM32 的固件程序，实现ADC、PWM 等外设的控制，完成数据采集、处理和控制输出，并设计通信协议与上位机软件进行交互。通过电路连接和程序下载，对整个电路进行调试，以实现温度和电流的精确控制。通过以上步骤，可设计出一个功能完善、性能稳定的基于STM32 的半导体激光器驱动电路，如图1 所示。

3 温度控制电路

3.1 温控芯片选型

在半导体激光器工作过程中，温度的稳定对于其性能和寿命都至关重要，而TEC 具有珀尔帖效应，可实现对温度的精确控制。珀尔帖效应是指当两种不同材料的接触点有电流通过时，会产生热量的吸收或释放现象，该效应可以用来实现对半导体激光器的温度调节。温控芯片是实现温度控制的核心部件，通常由多个热电偶对组成，其中每对热电偶由1 个PN 结和1 个铜联结片焊接在一起。冷端和热端则分别集中在芯片的两端。在选择温控芯片时，要考虑温度控制的精度，以芯片能够提供高精度的温度控制为目标，确保半导体激光器在工作时保持稳定的温度。由于半导体激光器通常需要长时间运行，因此低功耗和高效率的芯片能够减少系统能耗。TEC 工作原理如图2所示。

文章选用美信公司的MAX1978 芯片，该芯片采用单电源供电，具有两个同步降压稳压器，可以实现双极性±3 A 输出，没有电流“死区”。通过热敏器件反馈，MAX1978 能够适应环境变化并进行双向调节，温度稳定性可达0.001℃，集成控制电路还对激光器内部的TEC 具有一定的保护作用。

3.2 温度控制电路设计

激光器是一种半导体激光器，其在工作过程中会产生大量的热量，为了确保激光器运行的稳定性，工作人员要设计半导体激光器驱动温度控制电路。TEC是一种能够通过电流控制温度的装置，由两个不同材料的热电偶组成。当电流通过热电偶时，一个热端会吸收热量，而另一个冷端则会散发热量。通过调整电流的大小，可以实现对激光器的温度控制。在设计TEC 驱动电路前，要了解激光器内部的NTC 热敏电阻和TEC 特性。NTC 热敏电阻在激光器温度上升时，其电阻值会下降；而TEC 则具有根据电流大小调节激光器温度的能力。MAX1978 芯片是一款专门设计用于驱动TEC 的集成电路，具有多种功能，包括电流和温度测量、闭环控制以及PWM（脉冲宽度调制）输出等，借助于MAX1978 芯片，可轻松地实现对激光器温度的精确控制。下面是基于MAX1978 芯片设计的TEC 驱动电路的原理图，如图3 所示。

4 结束语

随着科学技术的不断发展，半导体激光器在众多领域发挥着重要作用，对其驱动电路的研究具有极高的理论和实践意义。文章通过介绍基于STM32 微控制器的半导体激光器驱动电路设计，实现了对激光器的稳定和精确控制，为半导体激光器的广泛应用提供了有力支持。通过文章的研究，基于STM32 的半导体激光器驱动电路设计实现了对激光器的高精度控制，具有结构简单、性能稳定、易于扩展等优点。该设计为进一步提高半导体激光器在光纤通信、激光医疗、工业制造等领域的应用水平提供了有力支持，同时也为类似激光器的驱动电路设计提供了参考。在未来的研究工作中，还将不断优化和改进设计，以适应不断发展的应用需求。

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