中距离夜视激光照明器的设计
第１６卷第９期２００９年９月
电光与控制
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＯｐｔｉｃｓ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｖ０１．１６Ｎｏ．９
Ｓｅｐ．２００９
中距离夜视激光照明器的设计
黄辉１，张伯虎２
（１．湖南省岳阳市武警华容县中队，湖南岳阳４１４０００；２．武警工程学院通信工程系，西安７１００８６）
摘要：设计了一种基于ＭＩＣ２９３０２稳压器的功率可调式激光器驱动电源，实现了对激光器的直接强度调制。根据半导体激光器对注入电流的稳定性要求高和对电冲击的承受能力差等特性，对其驱动电路进行了设计；同时，给出了激光器的保护电路和温度控制电路。较大地改进了半导体激光器电源的可靠性，提高了半导体激光器的输出稳定性，延长了激光器的使用寿命。最后，给出了详细的测试数据，测试结果证明，该驱动电源有具体的指标和良好的性能。关键词：半导体激光器；驱动电源；ＭＩＣ２９３０２；温度控制电路；保护电路中图分类号：Ｖ２７１．４
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７１—６３７ｘ（２００９）０９－００７４一０３
Ｄｅｓｉｇｎｏｆ
ａ
Ｍｉｄｄｌｅ－－Ｒａｎｇｅ
（１．Ｙｕｅｙａｎｇ
ＡｒｍｅｄＰｏｌｉｃｅ
Ｎｉｇｈｔ－－ＶｉｓｉｏｎＬａｓｅｒ
Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ
ＨＵＡＮＧＨｕｉｌ，ＺＨＡＮＧＢｏｈｕ２
Ｄｅｔａｃｈｍｅｎｔ，Ｙｕｅｙａｎｇ４１４０００，Ｃｈｉｎａ；
ＰｏｌｉｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’ａｎ
２．ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ
Ａｒｍｅｄ
７１００８６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ
ｐｏｗｅｒ－ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ
ｌａｓｅｒ－ｕｓｅｄｄｒｉｖｉｎｇｐｏｗｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｔｈｅ
Ｌａｓｅｒ
ｏｎ
ＭＩＣ２９３０２ｒｅｇｕｌａｔｏｒ，ａｎｄ
Ｗ８８
ｄｉｒｅｃｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆＤｉｏｄｅ（ＬＤ）ｗａｓ
ａ８
ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ
ｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＬＤ，ｓｕｃｈａｎｄｔｈｅｗｅａｋｅｎｄｕｒａｎｃｅ
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ｈｉ曲ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ａｎｄ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｔｏｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆ
ｃａｎ
ａｂｉｌｉｔｙｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｈｏｃｋ．Ｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ
ＬＤｗｅｒｅａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｂｅｉｍｐｍｖｅｄ
ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
ｏｆｌａｓｅｒｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ，ｏｕｔｐｕｔｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｌｉｆｅｏｆＬＤ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｔｈｅ
ｄｅｔａｉｌｅｄｔｅｓｔｄａｔａｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｈｅｒｅ
ａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔ
ｔｈｅｄｒｉｖｅｐｏｗｅｒｉｓｏｆｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ
ｄｉｏｄｅ；ｄｒｉｖｉｎｇｐｏｗｅｒ；ＭＩＣ２９３０２；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ；ｐｒｏｔｅｃｔｃｉｒｃｕｉｔ
０引言
激光照明技术是利用激光的高亮度、高方向性和高单色性等特点，对远、小、暗目标或其局部进行照射，以增加返回信号的能量，减小背景辐射的影响，提高系统对远、小、暗目标的精确跟踪和成像测量能力，获得远距离目标的高分辨率图像，从而实现对远距离目标的探测¨。３】。半导体激光器具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、可靠性高、转换效率高、工作寿命长、结构简单等优点，因而被广泛应用于国防、科研、医疗、通信等高新领域Ｈ】。但是，半导体激光器的性能与驱动电流、工作温度密切相关。浪涌等瞬态电流或电压尖峰等因素很容易使半导体激光器ＰＮ结被击穿而损坏；电
流的起伏会引起光功率的变化；激光器工作时产生的热量，使器件温度升高，造成激光中心波长随温度的变化而漂移，也会增大它的阈值电流，降低转换效率，加速器件的老化，缩短工作寿命等＂。】。为了保证ＬＤ安全稳定地工作，需要为其提供电流保护电路和温度控制电路。本文根据半导体激光器的工作特性，采用ＭＩＣ２９３０２芯片，设计了一种功率可调的激光器照明电源。
１设计原理
激光照明器由＋５Ｖ电源、稳压器ＭＩＣ２９３０２芯片、单片机、温度控制电路、激光器和扩束镜头部分组成。其系统组成如图１所示。
稳压器ＭＩＣ２９３０２为激光器提供稳定的直流工作电压和工作电流，通过调节可调电位器，可以改变驱动电路的输出电压，从而改变激光器的输出功率。单片机采用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣｌ２Ｃ５０８Ａ，实现对稳压器ＭＩＣ２９３０２使能控制，以消除在开关机瞬间形成的瞬间冲击或浪涌等瞬态电流或电压尖峰。温控电路采用
收稿日期：２００８—０６—０９修回日期：２００８—１０—０７
基金项目：武警工程学院科研部基金项目（ＷＸＫ２００７—１６）
作者简介：黄辉（１９８１一），男。湖南岳阳人，硕士生，研究方向为数
字图像处理。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｈｕｉｌ９８１１０１１＠１６３．ｃｏｍ
第９期黄辉等：
中距离夜视激光照明器的设计
７５
ＨＹＴＥＫ公司的温控芯片ＨＹ５６５０和半导体制冷器（ＴｇＣ）组成一个温度控制系统，稳定激光器ＰＮ结的工作温度。而ＭＩＣ２９３０２稳压器本身所提供的过流保护功能，也为激光器的可靠工作提供了必要的保护措施；温度控制电路通过控制流过ＴＥＣ的电流，稳定激光器ＰＮ结的温度，保证输出稳定性。采用专用扩束镜头能够使得激光光束在水平方向扩散角有１。一１００调节范围（人工调节），在垂直方向有５０一７０发散角，形成一矩形照明视场。
稳压器ｌ
—＿广
ＭＩＣ２９３０２
Ｉ
半导体激光器Ｈ扩柬镜头
．．．．．．．．．．．１．．．．．．．一
单片机
温度控制ＰＩＣｌ２Ｃ５０８Ａ
电路
图１激光照明器组成框图
Ｆｉｇ．１
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ
激光照明器的性能指标如下：波长为９４０衄（半
导体激光器）；工作方式为连续工作；输出功率为２ｗ
一５
Ｗ；发散角为５０一７０；工作温度为一２０℃．一＋４０℃。１．１稳压器驱动芯片ＭＩＣ２９３０２
ＭＩＣ２９３０２芯片是美国Ｍｉｃｒｅｌ公司研制的一种新
型低压差、大电流、低功耗线性稳压器，它的静态工作电流极小，可以很稳定地工作在小电流状态。输出晶体管采用单片工艺制造的超级ＰＮＰ管。所以该芯片的输入输出电压差很小，内部电路结构如图２所示。满负载工作时，压差仅有３５０ｍＶ，因而使稳压器的效率很高，功耗降低。最大输入电压２６Ｖ，最大输出电流
可达３Ａ，输出电压连续可调，输出稳压精度为ｌ％，输
出电压温度系数典型值为２０ｐｐｍ／‘Ｅ，工作温度范围为一４０℃一１２５０Ｃ。其外形封装如图３所示。
该芯片不仅具有过电流、过热保护功能，同时还具有电源电压极性加反和正负尖峰脉冲保护功能。它主要应用于高效线性稳压器、自动电子设备、高效开关电源输出稳压器、电池供电设备和高效绿色计算机系统‘７１。
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：图２内部电路结构图
Ｆｉｇ．２
Ｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｃｉｒｃｕｉｔ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
图３外形封装图
Ｆｉｇ．３
Ｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｐａｃｋａｇｉｎｇ
（ＥＮＡＢＬＥ）管脚，该脚加入ｍ高电平时，内部偏压电
其中，１脚为可以与ＴｒＬ／ＣＭＯＳ信号兼容的使能
路工作，该稳压器接通电源，该脚加入ＴＴＬ低电平时，内部控制器关断，流人该器件的静态电流只有５肚；２
端；５脚为调节端，也就是反馈输入端（ＡＤＪ），通过外接
电阻和电位器构成分压器以调节输出电压的大小。由ＭＩＣ２９３０２芯片和ＰＩＣｌ２５０８Ａ芯片组成的驱动电路是激光照明驱动电源的核心部分，其电路原理如图４所示。输入端接入的是＋５Ｖ的直流电压，输出
端、输入端到接地端之间各接入一只４７０妒滤波电
容，以减少稳压器的输入电压和输出电压的纹波。ＰＩＣｌ２５０８Ａ单片机是８脚封装的８位单片机，内部集成了８位的算术逻辑运算单元、１２位的程序存储器、８位数据寄存器以及８位的计数器、上电复位电路、复位定时器及看门狗等，具有精简指令集、速度快、效率高和超低功耗的特点，提高了自身的功能密度，极大地简化了外围电路。单片机的ＧＰ２脚与ＭＩＣ２９３０２的使能端相连，实现对输出电压的使能控制。Ｒ：是固定电阻，其阻值为０．７５１－１，Ｒ，是可变电阻，通过调节它的值，可以改变输出电压的值，从而调节激光器的输出功率。输出电压％与Ｒ。、恐的关系式为Ｖｏ＝１．２４×【ｌ＋尺Ｉ／恐】。
图４驱动电路原理图
Ｆｉｇ．４
ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｄｒｉＶｉＩｌｇ
ｃｉｒｃｕｉｔ
１．３温度控制电路
半导体激光器是一种对温度很敏感的器件，它的许多参数都与它的结温有密切的关系。当结温升高时，激光器的禁带宽度变窄，导致激发波长向长波方向移动聃】，同时激光器工作的阈值电流也会随温度的升
脚为电源输入端；３脚为接地端；４脚为稳压器的输出
１．２电路构成
７６
电光与控制第１６卷
高而增加。如果没有有效的温控系统，在恒定的电流注入下，当ＬＤ温度发生变化时，温度的升高将引起阈值电流增大，进一步使输出功率下降，功率波动将变大。理想情况下，半导体激光器的Ｐ—Ｉ关系是线性曲线，温度的变化将引起激光器的Ｐ—Ｉ特性曲线非线性畸变，输出光功率将会有较大的起伏，不利于ＣＣＤ成像；同时工作温度还会影响激光器的寿命，激光器壳温每升高３０℃，其使用寿命约要减少一个数量级归】。因此有必要采用温控电路。
温控电路采用ＨＹＴＥＫ公司的温控芯片ＨＹ５６５０和半导体制冷器（．ＩＥｃ）组成一个温度控制系统，具有较好的控制效果。温控元件ＴＥＣ不需要任何加热装置，只需用直流电源驱动，调节电压可改变电流大小。从而改变致冷功率，实现温度控制。当加入正向电流时，ＴＥＣ致冷；当加入反向电流时。ＴＥＣ加热。这种半导体致冷器件使用环境温度为一１５０。Ｃ一７０。Ｃ，与传统选用继电器元件相比，具有无噪声、无磨损、寿命长、可靠性高，以及便于温度调节和控制等优点…。根据泊尔帖（Ｐｅｌｔｉｅｒ）效应，通过控制流过半导体制冷器电流的方向和大小，就可以对ＬＤ进行加热或者制冷，从而可以设定ＬＤ的工作温度并使其保持基本恒温。其电路原理图如图５所示。
率可方便地连续调节。ＭＩＣ２９３０２芯片稳定电压输出波形如图６所示。
表１激光器输出电流、电压测试数据
Ｔａｂｌｅ１
Ｔｅｓｔｉｎｇｄａｔａｏｆｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｇｅ
输出电压／Ｖ
１．７ｌ
输出电流／Ａ
Ｏ．１００．１２０．１４０．１６
输出电彤Ｖ
２．１１２．１９２．２６２．４２２．５６２．８５
输出电ｔｇ／Ａ
０．４２
１．７３１．７６
１．７９
０．４９Ｏ．５５
０．矾
Ｏ．８１．０６１．２２
１．８ｌ０．１８
Ｏ．２３
１．髓
１．９２１．９６
０．２６０．３００．３４
Ｏ．３８
３．０５３．１５３．３４
３．５９
１．３３１．４９
１．７２
２．０３
２．０５
图６激光器稳定工作电压波形图
Ｆｉｇ．６
Ｓｔａｂｌｅｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ
ｗａｖｅ
ｏｆｌａｓｅｒ
实验证明，增加慢启动电路后，激光驱动电源在输出电压值１．７１—３．５８Ｖ范围内任何设置点，随意开启、关闭而无冲击出现，工作稳定，而不需要每次从零开始缓慢调节到所需要的值。实验中，对１只５ｗ、
９４０
ｎｎｌ的半导体激光器，调节注入电流为其阈值电流
６
２倍的情况下连续开关５０次，激光器工作正常，输出功率在４．９７６６—４．９７９
Ｗ内变化，其稳定度为６×
１０～，稳定效果较好。该激光照明器在夜视照明中无红暴，在调节功率为最大时有微弱红暴，满足中距离夜
图５温度控制电路图
Ｆｉｇ．５
Ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
视成像的要求，在１／２ＣＣＤ，照度０．０００
３
Ｉｘ彩转黑摄
ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ
像机测试条件下，实验测试阴天夜间距离＞一２５０ｍ。
尺，为一只负温度系数热敏电阻，其阻值和温度的关系成指数关系，将它作为温度传感器件固定在激光器外壳上。Ｒ，和也的作用是限制Ｒ训调节的上限和下限以确定温度的调节范围。当温度升高或降低使得Ｒ。∥Ｒｒ≠Ｒ，＋吗＋Ｒ帆时，ＨＹ５６５０会根据温差自动决定输出电流的方向和大小来控制半导体制冷器是制冷还是制热【”１。
３结束语
本文利用Ｍｉｅｒｅｌ公司的ＭＩＣ２９３０２芯片，设计了夜视激光照明器，其电流调节范围０—２Ａ，可以为大功率激光器提供稳定的驱动电流，满足激光照明需要。同时，通过温控芯片ＨＹ５６５０对半导体制冷器进行控制，方便地实现了ＬＤ的恒温工作，保证了ＬＤ工作的稳定性。经测试证明该电源具有电路简单、成本低、稳定性好、可靠性高、实用性强的特点。
参考文献
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２实验结果
经过安装、调试和检测，激光照明电源的输出电压值１．７１—３．５８Ｖ，输出电流值０．１—１．７２Ａ，具体测试数据如表１所示，工作温度控制精度为０．５。Ｃ，输出功
（下转第８２页）
８２
电光与控制
表１不同评定方案的＆值
ＴａｂｌｅＩ
第１６卷
从上述仿真结果可得：
１）当１＜Ａ≤１．２，打靶次数不大于２枚时，研制风险和使用风险都较大，保持在１５％以上。这种条件下若要降低使用风险，则要对研制方提出较高要求，研制方需要改进生产技术，提高验前概率Ｐ（风），增强产品可靠度。
２）当试验次数ｔｌ，一定时，试验区面积＆随着检出比的增加而不断减小，即当Ａ值越大时，继续试验的
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｖａｌｕｅｏｆ瓯ｉｎａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅｓ
ｄｉ仃奄ｒｅｎｔ
３仿真实验
以某型导弹攻击地面目标为例，根据实验结果得到验前概率Ｐ（风）＝Ｏ．８，利用实际打靶数据和验前信息，应用自助法得到盯２＝５。将试验打靶次数ｎ和不同Ａ值代人数学模型，通过仿真，得到结果如表２一表３所示。
襄２不同评定方案的口值
Ｔａｂｌｅ２
可能性越小，对做出试验判定越有利。
３）在本例中，当Ａ取值在Ｉ．３—１．５之间，试验次数在３次以上时，试验结果的ａ和口的值较小，两者之差最大不超过３．６％。这与工程实践中生产方和使用方在风险上保持“平等相待”原则相符合。
参考文献
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｖａｌｕｅｏｆ口ｉｎａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅｓ
ｎ
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５３．
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
Ａ—Ｔ——了——了——７——了——ｉ—Ｔ
１．２１．３
０．１７９
０．１３８
ｌ０．１５４７０．１４４００．０８２０．０９５
８
０
０．０３９６０．０１６
ｌ
１０．００５５
０．００５０．００１
３
２
０．１１４７
３
０．０５０５０．０３０
９Ｏ
０．０１２０
１
２
８
１．５
１．７
０．０７４５０．０５２０．０４１２０．０２８
ｌ
０．０２１
０．０１ｌ００．００４
０．ｏ（Ｊ６
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Ｉ．２
０．１８４
２０．１６２４
ｌ
０．１３ｌ３
４
０．０９４２０．０６７０．０５２
０．０２４３
０．０１９６０．０１８
０．００６００．００４５
１
（１）：５９－６３．
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１．３
１．５１．７
０．１１ｌ００．１０１
０．０９２０．０７ｌ
０．０８２８
ｌ
０．０２０５０．００５
５０．００３
２０．００３
９０．０８８７４
０．０６８５
０．０／６５０．０５５７
０．００４９０．００２２
４
Ｏ．００１
０．０４６２３
将表２和表３所获得的ａ和ｐ数据代人（１２）式，得到表ｌ。
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（上接第７６页）
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ＫＩＭＴＧ，ＯＧＵＲＡ
Ｍ．Ｈｉｇｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｏｏｍ
（Ｔｅ＝３２２Ｋ
ｎｅａｒ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＶ２ｇｒｏｏｖｅｄＡＩ－
ｄｉｏｄｅ
ＧａＡｓ２ＧａＡｓｑｕａｎｔｕｍｗｉｒｅｌａｓｅｒ８［Ｊ］．Ｓｏｌｉｄ
２
ＳｔａｔｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ２０００。４４：１８５－１８７．
ＪＡＳＯＮＧＺ．Ｒａｉｎｂｏｗｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃａｍｅｒａ：ｎｃｗ
ｃｏｎｃｅｐｔ０ｆ
ｈｉｇｌｌ－ｓｐｅｅｄｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｖｉｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ
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