高精度半導體激光器驅動電源系統的設計

0 引 言

半導體激光器（LD）是一種固體光源，由于其具有單色性好，體積小，重量輕，價格低廉，功耗小等一系列優點，已被廣泛應用。LD是卵想的電子-光子直接轉換器件，有很高的量子效率，微小的電流和溫度變化都將導致其輸出光功率的很大變化。因此，LD的驅動電流要求非常高，必須是低噪聲、穩定度高的恒流源，一般電源很難滿足要求^[1-4] 。此外，瞬態的電流或電壓尖峰脈沖，以及過流、過壓都會損壞半導體激光器。這里將以TI公司的DSP芯片TMS320F2812為控制核心，實現帶有多種保護的雙閉環高精度半導體激光驅動電源系統。

1 系統總體設計

恒流源一般采用集成運算放大器和一些分立元器件及單片機構成的“壓控恒流源”方法實現，與純模擬元件構成的恒流源相比，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，屬于開環控制系統，影響了恒流源的穩定性及精度。該系統由“壓控恒流”電路、信號采樣和調理電路、保護電路、鍵盤、LCD顯示、RS232通信接口以及DSP處理器等環節組成，系統結構框圖如圖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PWM信號。PWM經低通濾波器、放大調理后實現D/A變換并作為“壓控恒流”模塊（V-I Constant Current）的控制電壓實現“壓控恒流”。F2812實時對輸出的電流采樣，采樣數據經數字濾波、分析處理后與給定電流值相比較，得到差值作為PI調節算法表達式中的輸入量，通過PI運算得到控制量U來調整PWM的輸出實現恒流。

2 系統硬件設計

2.1 直流電源模塊實現

直流電源模塊主要由變壓、整流、濾波、穩壓和“擴流電路”組成。直流電源模塊如圖2所示。+15V用于“壓控恒流模塊”和運算放大器供電；-15V用于運算放大器負電源供電；+5V用于數控模塊供電。將+5V用高精度、高穩定性的穩壓芯片穩壓后再為DSP處理器供電。

“擴流電路”由電阻RP3和大功率達林頓管TIP147組成，調節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R_P1，Q₁,C₃,與R_P2,Q₂,C₄組成兩個RC濾波電路分別對+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電容的容值。

假若Q₁和Q₂。放大倍數為屆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,從實現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起保護穩壓器LM7815,LM7915的作用。當輸出端有負載時，如果LM7915穩壓器的輸入端開路，這時LM7915無輸出，+15V經負載加到LM7915的輸出端以致損壞LM7915。LM7815的保護原理相同。

2.2 恒流源模塊買現

“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。通過硬件電路實現閉環負反饋，即內閉環。圖3中電阻R_s，R₄，R₅，R_f和運放U₅構成反饋網絡。假若運放U4是理想的，設輸入電壓為V₅,輸出電壓為U_O。由運放“虛短”可得：

R_s,R₅，R_f不變時，輸入電壓恒定輸出電流工恒定。

運放U₄，U₅，電阻R_s，R₅,R_f自身的穩定性恒流源的穩定性起決定性作用。因此，U₄，U₅選用高精度運放OP-27，其漂移僅為0.2μV/℃,其最大噪聲電壓為0.25μV。R₅，R_f選用溫漂系數低、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為大功率達林頓管2SD1559，由于集成運算放大器一般工作在小電流狀態，因此用一個小功率晶體管Q4（9014）驅動Q5。C₁₅,C₁₆,D₉，L₁構成低通濾波以減少電源中高次諧波對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

F2812芯片內置12位ADC（模/數轉換器）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根據預置的電流值對PGA103的A₁A₀引腳置位（A₁A₀=00，A₁A₀=01,A₁A₀=10分別對應的放大倍數為1,10，100）,信號調理如圖3所示。F2812內沒有配置DAC模塊，要實現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，這無疑增加了硬件成本。

F2812芯片提供的PWM信號，是一種周期和占空比均可變、高電平V_H＝3.3V，低電平V_L=0V的脈寬調制（PWM）信號。由傅里葉變換可知，對于以時間軸原點為對稱點的、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…；A_n,B_n為各自獨立的傅里葉系數。

由式（3）可知只要將高頻直流分量An濾除，改變PWM信號占空比q（q=0～1）時，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”方法設計一個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表示為：

式中：G,b_n-1,…,b₀為適當選擇的常數。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都歸一化，所以電阻系數為K=100/fcCˊ，Cˊ是以μF為單位的C21值，要使增益G=2時，由文獻^[6]中表2-54可知。K＝1時所對應電阻R6～R10電容C22～C23（μF）的系數分別2.491,2.339,0.692,11．043，11.043，C21,C21。選擇fc=1000,Cˊ=0.01時，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濾波在通帶內沒有紋波，這使得PWM到D/A變換精度上得到保證，仿真結果如圖5所示。

2.4 鍵盤與顯示實現

鍵盤的功能是輸入預置電流值并且可以實時修改。鍵盤采用16個鍵，“0～9”和“·”鍵用于數字輸入；“ENTER”，“CANCLE”鍵表示確認、取消；“↑”，“↓”鍵表示步進量增加、減少；“NUM”鍵表示步進量選擇。預置電流步進量分為±10mA和±1mA，可以輸入10～2500mA范圍內電流值，預置電流輸入按下“ENTER”鍵后即可在LCD上顯示。數據顯示選擇常用的液晶顯示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保護電路

半導體激光器LD的PN結非常脆弱，極容易損壞。瞬時的電流突變，容易使半導體激光器兩端面腔鏡產生損傷造成激光器永久性損壞^[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不突然加在整個恒流電路上，而是在設定的時間內從零逐漸升至Vs。將幾個前向導通的二極管與激光器L串聯可以有效延長LD管的使用壽命，因為當發生大的前向電壓時，這些二極管導通，電流將不會從激光管LCD通過，從而避免損壞LD管^[9,10] 。在LD兩端并聯一個小電容，同時并聯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，可采用軟件和硬件保護，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使調整管截止達到限流的目的。

3 系統軟件設計

軟件采用匯編語言編寫，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。為方便調試系統軟件采用模塊化設計，主要包括主程序，給定給定、LCD顯示及PI調節等子程序。

系統的初始化包括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整。系統主程序與外環調節程序流程圖如圖6所示。

4 結語

在該設計中，采用硬件閉環負反饋與數字閉環結合的方法，構成雙閉環恒流電源。硬件閉環負反饋具有很強的恒流特性，并降低數字閉環工作量。數字閉環主要起精細調整作用，使系統恒流精度得到提高。此外，充分利用F2812內置資源簡化了外圍芯片設計復雜性，同時，16路的ADC通道和PWM輸出可以對多個恒流電源測控。因此該系統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，有著良好的應用前景。