高精度半導體激光器驅動電源系統(tǒng)的設計

1、高精度半導體激光器驅動電源系統(tǒng)的設計激光器（ld）是一種固體光源，因為其具有單色性好，體積小，分量輕，價格低廉，功耗小等一系列優(yōu)點，已被廣泛應用。ld是卵想的-光子挺直轉換器件，有很高的量子效率，極小的和溫度變幻都將導致其輸出光功率的很大變幻。因此，ld的驅動電流要求十分高，必需是低噪聲、穩(wěn)定度高的恒流源，普通電源很難滿足要求1-4 。此外，瞬態(tài)的電流或尖峰脈沖，以及過流、過壓都會損壞半導體激光器。這里將以ti公司的芯片tms320f2812為控制核心，實現(xiàn)帶有多種庇護的雙閉環(huán)高精度半導體激光驅動電源系統(tǒng)。1 系統(tǒng)總體設計恒流源普通采納集成運算和一些分立元器件及構成的“壓控恒流源”辦法實現(xiàn)，與

2、純模擬元件構成的恒流源相比，這種辦法在恒流精度和線性度上都有顯然的提高。但是該辦法中單片機是用作顯示與控制電壓的給定，并未對輸出電流實時檢測和控制，屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，影響了恒流源的穩(wěn)定性及精度。該系統(tǒng)由“壓控恒流”、信號采樣和調理電路、庇護電路、鍵盤、顯示、rs232通信接口以及dsp處理器等環(huán)節(jié)組成，系統(tǒng)結構框圖1所示。通過鍵盤輸入給定，并在lcd上顯示，同時經f2812運算處理后輸出相應占空比的信號。pwm經低通、放大調理后實現(xiàn)d/a變換并作為“壓控恒流”模塊（v-i constant current）的控制電壓實現(xiàn)“壓控恒流”。f2812實時對輸出的電流采樣，采樣數(shù)據(jù)經數(shù)字濾波、分析處理

3、后與給定電流值相比較，得到差值作為pi調整算法表達式中的輸入量，通過pi運算得到控制量u來調節(jié)pwm的輸出實現(xiàn)恒流。2 系統(tǒng)硬件設計2.1 直流實現(xiàn)直流電源模塊主要由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓和“擴流電路”組成。直流電源模塊2所示。+15v用于“壓控恒流模塊”和供電；-15v用于運算放大器負電源供電；+5v用于數(shù)控模塊供電。將+5v用高精度、高穩(wěn)定性的穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后再為dsp處理器供電。“擴流電路”由rp3和大功率達林頓管tip147組成，調整rp3可使+15v電流得到2a以上的大電流輸出。為削減直流電流中紋波采納rc-型有源濾波辦法，變阻rp1，q1,c3,與rp2,q2,c4組成兩個rc濾波電

4、路分離對+15v和-15v電源高效濾波。為npn型晶體管，利用晶體管的電流放大作用可以間接增大濾波的容值。假若q1和q2。放大倍數(shù)為屆1和2，則q1，q2基極電容c3，c4等效到射極，分離就為（1+1）c3。（1+2）c4,從實現(xiàn)大電阻大電容濾波并減小了電路的體積。圖中d5，d6為電源故障顯示，d7和d8起庇護穩(wěn)壓器lm7815,lm7915的作用。當輸出端有負載時，假如lm7915穩(wěn)壓器的輸入端開路，這時lm7915無輸出，+15v經負載加到lm7915的輸出端以致?lián)p壞lm7915。lm7815的庇護原理相同。2.2 恒流源模塊買現(xiàn)“壓控恒流”是通過控制輸入電壓的變幻控制輸出電流。恒流源電路

5、原理3所示。通過硬件電路實現(xiàn)閉環(huán)負反饋，即內閉環(huán)。圖3中電阻rs，r4，r5，rf和運放u5構成反饋網(wǎng)絡。假若運放u4是抱負的，設輸入電壓為v5,輸出電壓為uo。由運放“虛短”可得：rs,r5，rf不變時，輸入電壓恒定輸出電流工恒定。運放u4，u5，電阻rs，r5,rf自身的穩(wěn)定性恒流源的穩(wěn)定性起打算性作用。因此，u4，u5選用高精度運放op-27，其漂移僅為0.2v/,其最大噪聲電壓為0.25v。r5，rf選用溫漂系數(shù)低、精度較高的電阻。采樣電阻rs選用阻值為0.01大功率錳銅絲電阻，其精度為1%。q5為大功率達林頓管2sd1559，因為集成運算放大器普通工作在小電流狀態(tài)，因此用一個小功率晶

6、體管q4（9014）驅動q5。c15,c16,d9，l1構成低通濾波以削減電源中高次諧波對ld的影響，d5在q5截止時起到扼制流作用。2.3 a/d與d/a模塊實現(xiàn)f2812芯片內置12位（模/數(shù)轉換器）輸入，電壓為03v，12位的adc采樣的辨別率為（3.0v0v）/212=0.73mv。f2812按照預置的電流值對pga103的a1a0引腳置位（a1a0=00，a1a0=01,a1a0=10分離對應的放大倍數(shù)為1,10，100）,信號調理3所示。f2812內沒有配置模塊，要實現(xiàn)d/a功能需要外接d/a轉換芯片,轉換精度與芯片的價格成正比關系，這無疑增強了硬件成本。f2812芯片提供的pwm

7、信號，是一種周期和占空比均可變、高電平vh3.3v，低電平vl=0v的脈寬調制（pwm）信號。由傅里葉變換可知，對于以時光軸原點為對稱點的、單極性的pwm信號可寫成表達式：式中：t為信號周期；n=±1，±2，±3；an,bn為各自自立的傅里葉系數(shù)。由式（3）可知只要將高頻直流重量an濾除，轉變pwm信號占空比q（q=01）時，可以得到輸出電壓03.3v。因為三階較之于一階與二階低通濾波器有更好的性能5 。采納“歸一化”辦法設計一個butterworth三階反饋有源低通濾波器，4所示。低通濾波器的傳遞函數(shù)表示為：式中：g,bn-1,b0為適當挑選的常數(shù)。圖4低通濾波

8、器要滿足式（4）必需具備以下條件，式中：由歸一化辦法可得，將截止頻率fc（hz）和電容c21都歸一化，所以電阻系數(shù)為k=100/fcc，c是以f為單位的c21值，要使增益g=2時，由文獻6中表2-54可知。k1時所對應電阻r6r10電容c22c23（f）的系數(shù)分離2.491,2.339,0.692,11043，11.043，c21,c21。挑選fc=1000,c=0.01時，圖4中r6rl0，c21c23分離為24.491，23.39，6.92，110.43,110.43,0.01,0.01,0.01。經ewb軟件仿真可知該三階濾波電路得到很好的濾波性能,butterworth濾波在通帶內沒有

9、紋波，這使得pwm到d/a變換精度上得到保證，仿真結果5所示。2.4 鍵盤與顯示實現(xiàn)鍵盤的功能是輸入預置電流值并且可以實時修改。鍵盤采納16個鍵，“09”和“·”鍵用于數(shù)字輸入；“enter”，“cancle”鍵表示確認、取消；“”，“”鍵表示步進量增強、削減；“num”鍵表示步進量挑選。預置電流步進量分為±10ma和±1ma，可以輸入102500ma范圍內電流值，預置電流輸入按下“enter”鍵后即可在lcd上顯示。數(shù)據(jù)顯示挑選常用的液晶顯示lcd1602a，將預置輸出電流值和實時采樣電流值分成兩行顯示。2.5 ld庇護電路半導體激光器ld的pn結十分堅強，極簡

10、單損壞。瞬時的電流突變，簡單使半導體激光器兩端面腔鏡產生損傷造成激光器永遠性損壞7-8 。慢速啟動（也稱為軟啟動）是指驅動電源開啟后，控制電壓vs不驟然加在囫圇恒流電路上，而是在設定的時光內從零逐漸升至vs。將幾個前向導通的與激光器l串聯(lián)可以有效延伸ld管的用法壽命，由于當發(fā)生大的前向電壓時，這些二極管導通，電流將不會從激光管lcd通過，從而避開損壞ld管9,10 。在ld兩端并聯(lián)一個小電容，同時并聯(lián)一個反向二極管防止ld受到過大的反向電壓而損壞。為防止過電流，可采納軟件和硬件庇護，即采樣的電流值經處理后與限流值比較，大于限流值時，將開關管q6導通，v4被箝為0v使調節(jié)管截止達到限流的目的。3 系統(tǒng)軟件設計軟件采納匯編語言編寫，可以通過鍵盤實時修改電流的給定值，同時lcd可以顯示給定值和實測值。為便利調試系統(tǒng)軟件采納模塊化設計，主要包括主程序，給定給定、lcd顯示及pi調整等子程序。系統(tǒng)的初始化包括dsp外圍接口芯片和電流給定的初始化，鍵盤掃描包括給定和步進量的調節(jié)。系統(tǒng)主程序與外環(huán)調整程序流程圖6所示。4 結語在該設計中，采納硬件閉環(huán)負反饋與數(shù)字閉環(huán)結合的辦法，構成雙閉環(huán)恒流電源。硬件閉環(huán)負