高精度半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 引 言
    半導(dǎo)體激光器(LD)是一種固體光源，由于其具有單色性好，體積小，重量輕，價(jià)格低廉，功耗小等一系列優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。LD是理想的電子－光子直接轉(zhuǎn)換器件，有很高的量子效率，微小的電流和溫度變化都將導(dǎo)致其輸出光功率的很大變化。因此，LD的驅(qū)動(dòng)電流要求非常高，必須是低噪聲、穩(wěn)定度高的恒流源，一般電源很難滿足要求。此外，瞬態(tài)的電流或電壓尖峰脈沖，以及過流、過壓都會(huì)損壞半導(dǎo)體激光器。這里將以TI公司的DSP芯片TMS320F2812為控制核心，實(shí)現(xiàn)帶有多種保護(hù)的雙閉環(huán)高精度半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    恒流源一般采用集成運(yùn)算放大器和一些分立元器件及單片機(jī)構(gòu)成的“壓控恒流源”方法實(shí)現(xiàn)，與純模擬元件構(gòu)成的恒流源相比，這種方法在恒流精度和線性度上都有明顯的提高。但是該方法中單片機(jī)是用作顯示與控制電壓的給定，并未對(duì)輸出電流實(shí)時(shí)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”電路、信號(hào)采樣和調(diào)理電路、保護(hù)電路、鍵盤、LCD顯示、RS 232通信接口以及DSP處理器等環(huán)節(jié)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

通過鍵盤輸入給定，并在LCD上顯示，同時(shí)經(jīng)F2812運(yùn)算處理后輸出相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)。PWM經(jīng)低通濾波器、放大調(diào)理后實(shí)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(shí)現(xiàn)“壓控恒流”。F2812實(shí)時(shí)對(duì)輸出的電流采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波、分析處理后與給定電流值相比較，得到差值作為PI調(diào)節(jié)算法表達(dá)式中的輸入量，通過PI運(yùn)算得到控制量Uk來調(diào)整PWM的輸出實(shí)現(xiàn)恒流。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 直流電源模塊實(shí)現(xiàn)
    直流電源模塊主要由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓和“擴(kuò)流電路”組成。直流電源模塊如圖2所示。+15 V用于“壓控恒流模塊”和運(yùn)算放大器供電；-15 V用于運(yùn)算放大器負(fù)電源供電；+5 V用于數(shù)控模塊供電。將+5 V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(kuò)流電路”由電阻Rp3和大功率達(dá)林頓管TIP147組成，調(diào)節(jié)Rp3可使+15 V電流得到2 A以上的大電流輸出。為減少直流電流中紋波采用RC-π型有源濾波方法，變阻Rp1，Q1，C3與Rp2，Q2，C4組成兩個(gè)RC濾波電路分別對(duì)+15 V和-15 V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電容的容值。
    假若Q1和Q2放大倍數(shù)為β1和β2，則Q1，Q2基極電容C3，C1等效到射極，分別就為(1+β1)C3和(1+β2)C4，從實(shí)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起保護(hù)穩(wěn)壓器LM7815，LM7915的作用。當(dāng)輸出端有負(fù)載時(shí)，如果LM7915穩(wěn)壓器的輸入端開路，這時(shí)LM7915無輸出，+15 V經(jīng)負(fù)載加到LM7915的輸出端以致?lián)p壞LM7915。LM7815的保護(hù)原理相同。[!--empirenews.page--]
2．2 恒流源模塊實(shí)現(xiàn)
    “壓控恒流”是通過控制輸入電壓的變化控制輸出電流。恒流源電路原理如圖3所示。通過硬件電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋，即內(nèi)閉環(huán)。圖3中電阻Rs，R4，R5，Rf和運(yùn)放U5構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。假若運(yùn)放U4是理想的，設(shè)輸入電壓為Vs，輸出電壓為Uo。由運(yùn)放“虛短”可得：

 Rs，R5，Rf不變時(shí)，輸入電壓Vs恒定輸出電流Io恒定。運(yùn)放U4，U5，電阻Rs，R5，Rf自身的穩(wěn)定性恒流源的穩(wěn)定性起決定性作用。因此，U4，U5選用高精度運(yùn)放OP-27，其漂移僅為O.2μV／℃，最大噪聲電壓為O.25μV。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 Ω大功率錳銅絲電阻，其精度為1％。Q5為大功率達(dá)林頓管2SD1559，由于集成運(yùn)算放大器一般工作在小電流狀態(tài)，因此用一個(gè)小功率晶體管Q4(9014)驅(qū)動(dòng)Q5。C15,C16，D9，L1構(gòu)成低通濾波以減少電源中高次諧波對(duì)LD的影響，D5在Q5截止時(shí)起到扼制流作用。

2．3 A／D與D／A模塊實(shí)現(xiàn)
    F2812芯片內(nèi)置12位ADC(模／數(shù)轉(zhuǎn)換器)，輸入電壓為0～3 V，12位的ADC采樣的分辨率為(3.0 V-O V)／212=0.73mV。F2812根據(jù)預(yù)置的電流值對(duì)PGA103的A1A0引腳置位(A1A0=OO，A1A0=01，A1A0=10分別對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)為1，10，100)，信號(hào)調(diào)理如圖3所示。F2812內(nèi)沒有配置DAC模塊，要實(shí)現(xiàn)D／A功能需要外接D／A轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度與芯片的價(jià)格成正比關(guān)系，這無疑增加了硬件成本。F2812芯片提供的PWM信號(hào)，是一種周期和占空比均可變、高電平VH=3．3 V，低電平VL=O V的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。由傅里葉變換可知，對(duì)于以時(shí)間軸原點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)的、單極性的PWM信號(hào)可寫成表達(dá)式：

式中：T為信號(hào)周期；n=±1，±2，±3±…；An，Bn為各自獨(dú)立的傅里葉系數(shù)。

由式(3)可知只要將高頻直流分量An濾除，改變PWM信號(hào)占空比q(q=O～1)時(shí)，可以得到輸出電壓O～3.3 V。由于三階低通濾波器較之于一階與二階低通濾波器有更好的性能。采用“歸一化”方法設(shè)計(jì)一個(gè)Butterworth三階反饋有源低通濾波器，如圖4所示。低通濾波器的傳遞函數(shù)表示為：
[!--empirenews.page--]

式中：G，bn-1，…，b0為適當(dāng)選擇的常數(shù)。圖4低通濾波器要滿足式(4)必須具備以下條件，

由歸一化方法可得，將截止頻率fc(Hz)和電容C21都?xì)w一化，所以電阻系數(shù)為K=100／fcC'，C'是以μF為單位的C21值，要使增益G=2時(shí)。由文獻(xiàn)[6]中表2-54可知，K=1時(shí)所對(duì)應(yīng)電阻R6～R10電容C22～C23(μF)的系數(shù)分別為2.491，2.339，0.692，11．043，11.043，C21，C21。選擇fc=1 000，C'=O.01時(shí)，圖4中R6～R10，C21～C23分別為24.49l，23.39，6.92，110.43，110.43，O.01，O.01，O.01。經(jīng)EWB仿真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(nèi)沒有紋波，這使得PWM到D／A變換精度上得到保證，仿真結(jié)果如圖5所示。

2．4 鍵盤與顯示實(shí)現(xiàn)
    鍵盤的功能是輸入預(yù)置電流值并且可以實(shí)時(shí)修改。鍵盤采用16個(gè)鍵，“0～9”和“·”鍵用于數(shù)字輸入；“ENTER”，“CANCLE”鍵表示確認(rèn)、取消；“↑”，“↓”鍵表示步進(jìn)量增加、減少；“NUM”鍵表示步進(jìn)量選擇。預(yù)置電流步進(jìn)量分為±10 mA和±1 mA，可以輸入10～2 500 mA范圍內(nèi)電流值，預(yù)置電流輸入按下“EN-TER”鍵后即可在LCD上顯示。數(shù)據(jù)顯示選擇常用的液晶顯示LCD1602A，將預(yù)置輸出電流值和實(shí)時(shí)采樣電流值分成兩行顯示。
2．5 LD保護(hù)電路
    半導(dǎo)體激光器LD的PN結(jié)非常脆弱，極容易損壞。瞬時(shí)的電流突變，容易使半導(dǎo)體激光器兩端面腔鏡產(chǎn)生損傷造成激光器永久性損壞。慢速啟動(dòng)(也稱為軟啟動(dòng))是指驅(qū)動(dòng)電源開啟后，控制電壓Vs不突然加在整個(gè)恒流電路上，而是在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)從零逐漸升至Vs。將幾個(gè)前向?qū)ǖ亩O管與激光器LD串聯(lián)可以有效延長LD管的使用壽命，因?yàn)楫?dāng)發(fā)生大的前向電壓時(shí)，這些二極管導(dǎo)通，電流將不會(huì)從激光管LD通過，從而避免損壞LD管。在LD兩端并聯(lián)一個(gè)小電容，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)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，可采用軟件和硬件保護(hù)，即采樣的電流值經(jīng)處理后與限流值比較，大于限流值時(shí)，將開關(guān)管Q6導(dǎo)通，V4被箝為0 V使調(diào)整管截止達(dá)到限流的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件采用匯編語言編寫，可以通過鍵盤實(shí)時(shí)修改電流的給定值，同時(shí)LCD可以顯示給定值和實(shí)測值。為方便調(diào)試系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序，給定給定、LCD顯示及PI調(diào)節(jié)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(jìn)量的調(diào)整。系統(tǒng)主程序與外環(huán)調(diào)節(jié)程序流程圖如圖6所示。[!--empirenews.page--]

4 結(jié) 語
    在該設(shè)計(jì)中，采用硬件閉環(huán)負(fù)反饋與數(shù)字閉環(huán)結(jié)合的方法，構(gòu)成雙閉環(huán)恒流電源。硬件閉環(huán)負(fù)反饋具有很強(qiáng)的恒流特性，并降低數(shù)字閉環(huán)工作量。數(shù)字閉環(huán)主要起精細(xì)調(diào)整作用，使系統(tǒng)恒流精度得到提高。此外，充分利用F2812內(nèi)置資源簡化了外圍芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜性，同時(shí)，16路的ADC通道和PWM輸出可以對(duì)多個(gè)恒流電源測控。因此該系統(tǒng)可以廣泛用于光纖傳感、光纖通信以及有源電流互感器的激光供能等多方面，有著良好的應(yīng)用前景。