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高精度半导体激光器驱动电源系统设计

时间:2011-11-28 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:

介绍一种以DSP TMS320F2812控制模块为核心的高精度半导体激光器驱动电源系统的设计。该系统以大功率达林顿管为调整管加电流负反馈电路实现恒流输出,利用DS内部集成的模/数转换器对输出电流采样,并经过PI算法处理后控制PWM输出实现动态的误差调整,消除电路中的静止误差。为了提高系统的稳定性,在系统中加入过流、过压保护和延时软启动保护等功能。结果表明,输出电流范围在10~2500mA内,输出电流变化的绝对值小于输出电流值的 0.1%+1mA,从而确保了半导体激光器工作的可靠性。

       半导体激光器(LD)是一种固体光源,由于其具有单色性好,体积小,重量轻,价格低廉,功耗小等一系列优点,已被广泛应用。LD是卵想的电子 -光子直接转换器件,有很高的量子效率,微小的电流和温度变化都将导致其输出光功率的很大变化。因此,LD的驱动电流要求非常高,必须是低噪声、稳定度高的恒流源,一般电源很难满足要求[1-4] 。此外,瞬态的电流或电压尖峰脉冲,以及过流、过压都会损坏半导体激光器。这里将以TI公司的DSP芯片TMS320F2812为控制核心,实现带有多种保护的双闭环高精度半导体激光驱动电源系统。

1  系统总体设计

      恒流源一般采用集成运算放大器和一些分立元器件及单片机构成的“压控恒流源”方法实现,与纯模拟元件构成的恒流源相比,这种方法在恒流精度和线性度上都有明显的提高。但是该方法中单片机是用作显示与控制电压的给定,并未对输出电流实时检测和控制,属于开环控制系统,影响了恒流源的稳定性及精度。该系统由“压控恒流”电路、信号采样和调理电路、保护电路、键盘、LCD显示、RS232通信接口以及DSP处理器等环节组成,系统结构框图如图1所示。
 


      通过键盘输入给定,并在LCD上显示,同时经F2812运算处理后输出相应占空比的PWM信号。PWM经低通滤波器、放大调理后实现D/A变换并作为“压控恒流”模块(V-I Constant Current)的控制电压实现“压控恒流”。F2812实时对输出的电流采样,采样数据经数字滤波、分析处理后与给定电流值相比较,得到差值作为PI调节算法表达式中的输入量,通过PI运算得到控制量U来调整PWM的输出实现恒流。

 

2  系统硬件设计

2.1  直流电源模块实现

      直流电源模块主要由变压、整流、滤波、稳压和“扩流电路”组成。直流电源模块如图2所示。+15V用于“压控恒流模块”和运算放大器供电;-15V用于运算放大器负电源供电;+5V用于数控模块供电。将+5V用高精度、高稳定性的稳压芯片稳压后再为DSP处理器供电。
 


      “扩流电路”由电阻RP3和大功率达林顿管TIP147组成,调节RP3可使+15V电流得到2A以上的大电流输出。为减少直流电流中纹波采用RC-π型有源滤波方法,变阻RP1,Q1,C3,与RP2,Q2,C4组成两个RC滤波电路分别对+15V和-15V电源高效滤波。为NPN型晶体管,利用晶体管的电流放大作用可以间接增大滤波电容的容值。

 

      假若Q1和Q2。放大倍数为届β1和β2,则Q1,Q2基极电容C3,C4等效到射极,分别就为(1+β1)C3。(1+β2)C4,从实现大电阻大电容滤波并减小了电路的体积。图中D5,D6为电源故障显示,D7和D8起保护稳压器LM7815,LM7915的作用。当输出端有负载时,如果LM7915稳压器的输入端开路,这时LM7915无输出,+15V经负载加到LM7915的输出端以致损坏LM7915。LM7815的保护原理相同。

2.2  恒流源模块买现

      “压控恒流”是通过控制输入电压的变化控制输出电流。恒流源电路原理如图3所示。通过硬件电路实现闭环负反馈,即内闭环。图3中电阻Rs,R4,R5,Rf和运放U5构成反馈网络。假若运放U4是理想的,设输入电压为V5,输出电压为UO。由运放“虚短”可得:
 


      Rs,R5,Rf不变时,输入电压恒定输出电流工恒定。

 

      运放U4,U5,电阻Rs,R5,Rf自身的稳定性恒流源的稳定性起决定性作用。因此,U4,U5选用高精度运放OP-27,其漂移仅为0.2μV/℃,其最大噪声电压为0.25μV。R5,Rf选用温漂系数低、精度较高的电阻。采样电阻Rs选用阻值为0.01Ω大功率锰铜丝电阻,其精度为1%。Q5为大功率达林顿管2SD1559,由于集成运算放大器一般工作在小电流状态,因此用一个小功率晶体管Q4(9014)驱动Q5。C15,C16,D9,L1构成低通滤波以减少电源中高次谐波对LD的影响,D5在Q5截止时起到扼制流作用。

2.3  A/D与D/A模块实现

      F2812芯片内置12位ADC(模/数转换器)输入,电压为0~3V,12位的ADC采样的分辨率为(3.0V~0V)/212=0.73mV。F2812根据预置的电流值对PGA103的A1A0引脚置位(A1A0=00,A1A0=01,A1A0=10分别对应的放大倍数为1,10,100),信号调理如图3所示。F2812内没有配置DAC模块,要实现D/A功能需要外接D/A转换芯片,转换精度与芯片的价格成正比关系,这无疑增加了硬件成本。
 


      F2812芯片提供的PWM信号,是一种周期和占空比均可变、高电平VH=3.3V,低电平VL=0V的脉宽调制(PWM)信号。由傅里叶变换可知,对于以时间轴原点为对称点的、单极性的PWM信号可写成表达式:
 


      式中:T为信号周期;n=±1,±2,±3…;A

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