摘 要：介紹一種以DSP TMS320F2812控制模塊為核心的高精度半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以大功率達(dá)林頓管為調(diào)整管加電流負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出，利用DS內(nèi)部集成的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電流采樣，并經(jīng)過(guò)PI算法處理后控制PWM輸出實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的誤差調(diào)整，消除電路中的靜止誤差。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中加入過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)和延時(shí)軟啟動(dòng)保護(hù)等功能。結(jié)果表明，輸出電流范圍在10～2500mA內(nèi)，輸出電流變化的絕對(duì)值小于輸出電流值的 0.1%＋1mA，從而確保了半導(dǎo)體激光器工作的可靠性。 關(guān)鍵詞：DSP；半導(dǎo)體激光器；PI算法；PWM
0 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是卵想的電子 -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[1-4] 。此外，瞬態(tài)的電流或電壓尖峰脈沖，以及過(guò)流、過(guò)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(cè)和控制，屬于開(kāi)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(pán)、LCD顯示、RS232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(guò)鍵盤(pán)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(guò)PI運(yùn)算得到控制量U來(lái)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。+15V用于“壓控恒流模塊”和運(yùn)算放大器供電；-15V用于運(yùn)算放大器負(fù)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(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+15V電流得到2A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)+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電容的容值。 假若Q1和Q2。放大倍數(shù)為屆β1和β2，則Q1，Q2基極電容C3，C4等效到射極，分別就為（1+β1）C3。（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(kāi)路，這時(shí)LM7915無(wú)輸出，+15V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。
2.2 恒流源模塊買(mǎi)現(xiàn)
“壓控恒流”是通過(guò)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(guò)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V5,輸出電壓為UO。由運(yùn)放“虛短”可得：
Rs,R5，Rf不變時(shí)，輸入電壓恒定輸出電流工恒定。 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0.2μV/℃,其最大噪聲電壓為0.25μV。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0.01Ω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0～3V，12位的ADC采樣的分辨率為（3.0V～0V）/212=0.73mV。F2812根據(jù)預(yù)置的電流值對(duì)PGA103的A1A0引腳置位（A1A0=00，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(méi)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(wú)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＝3.3V，低電平VL=0V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(chēng)點(diǎn)的、單極性的PWM信號(hào)可寫(xiě)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=0～1）時(shí)，可以得到輸出電壓0～3.3V。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[5] 。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：
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，
式中：
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/fcCˊ，Cˊ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 2.491,2.339,0.692,11．043，11.043，C21,C21。選擇fc=1000,Cˊ=0.01時(shí)，圖4中 R6～Rl0，C21～C23分別為24.491，23.39，6.92，110.43,110.43,0.01,0.01,0.01。 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(méi)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(pán)與顯示實(shí)現(xiàn) 鍵盤(pán)的功能是輸入預(yù)置電流值并且可以實(shí)時(shí)修改。鍵盤(pán)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±10mA和±1mA，可以輸入 10～2500mA范圍內(nèi)電流值，預(yù)置電流輸入按下“ENTER”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[7-8] 。慢速啟動(dòng)（也稱(chēng)為軟啟動(dòng)）是指驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)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?a title="中國(guó)二極管網(wǎng)" href="http://m.bjbcsh.cn/product/list.php?catid=812" target="_blank">二極管與激光器L串聯(lián)可以有效延長(zhǎng)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LCD通過(guò)，從而避免損壞LD管[9,10] 。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(guò)大的反向電壓而損壞。為防止過(guò)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(kāi)關(guān)管Q6導(dǎo)通，V4被箝為0V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(yǔ)言編寫(xiě)，可以通過(guò)鍵盤(pán)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(cè)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(pán)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。
4 結(jié)語(yǔ) 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(jiǎn)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(cè)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。
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