基于MAX1647的大功率激光電源的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)大功率全固態(tài)激光電源的特點(diǎn)，利用MAX1647電源管理芯片的恒流、恒壓及相互之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，設(shè)計(jì)了輸出為60A/160V的大功率激光器電源。利用單片機(jī)89C51對(duì)MAX1647進(jìn)行高效管理，并采用改進(jìn)型線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大大提高了激光器電源的效率及穩(wěn)定性。在激光打標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用，證明了該電源不僅高效、安全、可靠，而且大大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度。

關(guān)鍵詞：激光電源；單片機(jī)；恒流；恒壓

1引言

隨著二極管泵浦全固態(tài)激光器相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，它在工業(yè)、國防科研、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其輸出功率、可靠性要求也不斷提高。作為二極管泵浦全固態(tài)激光器的重要組成部分的電源，其可靠性、穩(wěn)定性也就顯得格外重要。二極管泵浦全固態(tài)激光器的電源功率較大，輸出為大電流、低電壓，工作脈沖頻率較高（可達(dá)1kHz），輸出電流、電壓的穩(wěn)定性要求很高。微小的電流擾動(dòng)將影響激光器的出光質(zhì)量，不當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)可能引起巨大的損失。針對(duì)這些特點(diǎn)，我們選擇功能強(qiáng)大的電源管理芯片MAX1647作為整個(gè)系統(tǒng)控制的核心部分，設(shè)計(jì)出完全滿足要求的大功率激光器電源。

2MAX1647電源管理芯片介紹

MAX1647是MAXIM公司的新型電源管理芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括兩個(gè)調(diào)整環(huán)，即一個(gè)電壓調(diào)整環(huán)與一個(gè)電流調(diào)整環(huán)，實(shí)現(xiàn)恒流與恒壓功能及相互之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；并采用INTEL系統(tǒng)管理總線（SMBUS）接口，其中內(nèi)部有一個(gè)6位和一個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器分別用于電流和電壓的預(yù)置；另外，MAX1647提供了最大為4A的電流輸出。

圖1MAX1647的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2MAX1647的輸出特性曲線

圖3整機(jī)電路框圖

圖4SMBUS總線訪問時(shí)序圖  [!--empirenews.page--]

在MAX1647的電壓調(diào)整環(huán)中，通過SMBUS總線，經(jīng)內(nèi)部10位DAC設(shè)置預(yù)置電壓，負(fù)載電壓與預(yù)置電壓通過GMV誤差放大器進(jìn)行比較放大后的誤差信號(hào)輸出到CCV端口，然后送到一個(gè)由二選一電路組成的恒流/恒壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的一個(gè)端子上，其中由CCV端口輸出的誤差信號(hào)由內(nèi)部鉗位電路限制在1/4到3/4參考電壓之間的；與電壓調(diào)整環(huán)工作原理相類似，被鉗位的電流誤差信號(hào)由CCI端口送到自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的另一個(gè)端子上；利用PWM控制器，把電壓/電流誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)N溝道MOSFET管，經(jīng)同步整流、濾波器濾波后，得到所需的輸出信號(hào)。

MAX1647的輸出特性曲線如圖2所示，當(dāng)輸出電壓小于預(yù)置電壓V0時(shí)，電流調(diào)整環(huán)發(fā)揮作用，輸出是恒流模式；當(dāng)負(fù)載的電壓到達(dá)預(yù)置電壓V0以后，電流調(diào)整環(huán)停止作用，電壓調(diào)整環(huán)開始工作，這時(shí)輸出為恒壓模式。恒流模式時(shí)，CCV端口輸出的電壓誤差信號(hào)被鉗位在CCI端口最小電壓值80mV以上，這樣即可防止更新預(yù)置電流值時(shí)負(fù)載電流溢出，又可防止從恒流模式轉(zhuǎn)換為恒壓模式時(shí)，出現(xiàn)過沖電現(xiàn)象。在恒壓模式時(shí)，鉗位電路也可起到相類似的作用。

3激光器電源的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)的激光器電源輸出為60A/150V，恒流、恒壓及相互之間能自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3.1整體電路設(shè)計(jì)

整體電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

MAX1647電源管理芯片是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心部分，它完成恒流、恒壓及相互之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能。但MAX1647的最大輸出4A，不足以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此，把MAX1647的輸出信號(hào)經(jīng)由達(dá)林頓管組成的改進(jìn)型線性主電路，進(jìn)行電流、電壓放大。在線性主電路中，由達(dá)林頓管、霍爾電流/電壓傳感器、MAX1647、及光耦隔離一起構(gòu)成了電流主調(diào)環(huán)，保證恒流、恒壓功能。同時(shí)增加了由達(dá)林頓管、誤差電壓放大、晶閘管控制模塊、晶閘管降壓整流構(gòu)成的電壓從調(diào)環(huán)，它把達(dá)林頓管壓降與參考電壓進(jìn)行比較放大，以控制晶閘管觸發(fā)模塊，使達(dá)林頓管壓降保持在參考電壓附近，大大地降低了達(dá)林頓管上的功耗，使電源整體輸出穩(wěn)定性、效率等有顯著的提高；利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電源與機(jī)械傳動(dòng)部分、水冷系統(tǒng)部分以及計(jì)算機(jī)軟件控制部分的有機(jī)結(jié)合；利用高性能的霍爾電流、電壓傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流、電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)；液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流和有關(guān)狀態(tài)；整個(gè)電路通過光耦和傳感器實(shí)現(xiàn)隔離。

3.2利用89C51對(duì)MAX1647進(jìn)行設(shè)置

89C51通過SMBUS的READ?WORD和WRITE?

WORD協(xié)議與MAX1647進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置。圖4為SMBUS總線訪問時(shí)序圖。

從圖4可見：89C51與MAX1647通信的開始條件是SDA端口為下降沿，同時(shí)SCL端口為高電平；MAX1647的WRITE－WORD協(xié)議為0b00010010（0b表示二進(jìn)制），或者可表示為0x12（0x表示十六進(jìn)制）；READ－WORD協(xié)議則可表示為0b00010011或者0x13。另外，CMD0～CMD7代表具體的命令，D0～D15表示數(shù)據(jù)位。幾個(gè)常用的WRITE－WORD協(xié)議命令：ChargerMode()命令，命令代碼為0x12，主要用于清零和復(fù)位；ChargingVolage()命令，命令代碼為0x15，主要用于電壓預(yù)置；ChargingCurrent()命令，主要用于電流預(yù)置，命令代碼為0x14，即CMD7～CMD0的數(shù)據(jù)為00010100，16位二進(jìn)制數(shù)值由D15～D0組成表示Io的電流值，單位為mA。當(dāng)端子SEL與AGND短接時(shí)，電流Io的最大預(yù)置值為1.023A；如果讓端子SEL懸空，則Io的最大預(yù)置值為2.047A；當(dāng)端子SEL與VL短接，則Io的最大預(yù)置值為4.095A。MAX1647提供兩個(gè)電流源給負(fù)載供電：一個(gè)來自內(nèi)部的線性電流源IOUT，一個(gè)是開關(guān)電路提供的電流。IOUT提供1mA～31mA的電流（步長為1mA）。例如，當(dāng)Io最大預(yù)置值為4.095A時(shí)，數(shù)據(jù)位D11～D6對(duì)應(yīng)為6位電流預(yù)置DAC的DA5～DA0位；數(shù)據(jù)位D4～D0對(duì)應(yīng)輸出電流IOUT的I4～I(xiàn)0，表示IOUT線性電流源二進(jìn)調(diào)整數(shù)。注意任何時(shí)候DAC位被置位，線性電流源被調(diào)整至滿幅（31mA）。AlarmWarning()命令，命令代碼為0x16，主要用于保護(hù)設(shè)置；ChargerStatus()命令，命令代碼為0x13，主要用于返回溫度傳感器以及MAX1647的內(nèi)部信息，這些信息暫存D15～D0位中。

圖589C51與MAX1647應(yīng)用電路圖

為了滿足SMBUS的通信規(guī)則,用單片機(jī)P1口的其中兩位分別模擬數(shù)據(jù)信號(hào)SDA和時(shí)鐘信號(hào)SCL，89C51的P1.1口與MAX1647的SCL端子連接，P1.0口與MAX1647的SDA端子連接。電路如圖5所示，其中：高頻電感L1用粉末鐵心，外加粗線線圈繞制而成。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用該電路結(jié)構(gòu)，開發(fā)9kW半導(dǎo)體激光二極管電源。選用的主要元器件如下：霍爾傳感器選用北京萊姆公司生產(chǎn)的電壓電流傳感器，具有高靈敏度、優(yōu)良的線性度、極快的響應(yīng)速度；晶閘管觸發(fā)模塊采用山東威海生產(chǎn)的內(nèi)部帶光電隔離的SCR－JKSK，它的調(diào)整性能較好，同時(shí)為保證三相平衡，應(yīng)采用每相單獨(dú)調(diào)整；達(dá)林頓管選用東芝公司的MG75G2YL1A，在應(yīng)用時(shí)注意其電流放大倍數(shù)小于20，故應(yīng)保證驅(qū)動(dòng)電路能提供滿足需要的驅(qū)動(dòng)電流。另外，為了判定故障原因，利用液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)顯示電源狀態(tài)。

采用PM300儀器測(cè)試裝置性能指標(biāo)為：輸入3相380V，輸出0～160V，0.5～60A，恒壓、恒流，并且相互之間能實(shí)現(xiàn)無擾自動(dòng)轉(zhuǎn)換，效率為88.5％。

5結(jié)語

利用MAX1647與89C51組成控制電路的核心部分，采用?進(jìn)型線性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大功率激光器電源，由于MAX1647具有恒流、恒壓及相互之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能，一方面，克服了完全用單片機(jī)控制帶來的響應(yīng)速度慢、恒流恒壓特性差、可能出現(xiàn)死機(jī)的缺陷；另一方面，又避免了純硬件控制帶來的復(fù)雜性，提高了電源的智能性。在激光打標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用，證明了該電源不僅高效、安全、可靠，而且大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度。