高精度半导体激光器驱动电源系统的设计

0  引  言

      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R_P1，Q₁,C₃,与R_P2,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R_s，R₄，R₅，R_f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U_O。由运放“虚短”可得：

      R_s,R₅，R_f不变时，输入电压恒定输出电流工恒定。

      运放U₄，U₅，电阻R_s，R₅,R_f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，R_f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V_H＝3.3V，低电平V_L=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_n,B_n为各自独立的傅里叶系数。

      由式（3）可知只要将高频直流分量An滤除，改变PWM信号占空比q（q=0～1）时，可以得到输出电压0～3.3V。由于三阶低通滤波器较之于一阶与二阶低通滤波器有更好的性能^[5] 。采用“归一化”方法设计一个Butterworth三阶反馈有源低通滤波器，如图4所示。低通滤波器的传递函数表示为：

      式中：G,b_n-1,…,b₀为适当选择的常数。图4低通滤波器要满足式（4）必须具备以下条件，

      式中：

      由归一化方法可得，将截止频率fc（Hz）和电容C21都归一化，所以电阻系数为K=100/fcCˊ，Cˊ是以μF为单位的C21值，要使增益G=2时，由文献^[6]中表2-54可知。K＝1时所对应电阻R6～R10电容C22～C23（μF）的系数分别2.491,2.339,0.692,11．043，11.043，C21,C21。选择fc=1000,Cˊ=0.01时，图4中R6～Rl0，C21～C23分别为24.491，23.39，6.92，110.43,110.43,0.01,0.01,0.01。

      经EWB仿真软件仿真可知该三阶滤波电路得到很好的滤波性能,Butterworth滤波在通带内没有纹波，这使得PWM到D/A变换精度上得到保证，仿真结果如图5所示。

2.4  键盘与显示实现

      键盘的功能是输入预置电流值并且可以实时修改。键盘采用16个键，“0～9”和“·”键用于数字输入；“ENTER”，“CANCLE”键表示确认、取消；“↑”，“↓”键表示步进量增加、减少；“NUM”键表示步进量选择。预置电流步进量分为±10mA和±1mA，可以输入10～2500mA范围内电流值，预置电流输入按下“ENTER”键后即可在LCD上显示。数据显示选择常用的液晶显示LCD1602A，将预置输出电流值和实时采样电流值分成两行显示。

2.5  LD保护电路

      半导体激光器LD的PN结非常脆弱，极容易损坏。瞬时的电流突变，容易使半导体激光器两端面腔镜产生损伤造成激光器永久性损坏^[7-8] 。慢速启动（也称为软启动）是指驱动电源开启后，控制电压Vs不突然加在整个恒流电路上，而是在设定的时间内从零逐渐升至Vs。将几个前向导通的二极管与激光器L串联可以有效延长LD管的使用寿命，因为当发生大的前向电压时，这些二极管导通，电流将不会从激光管LCD通过，从而避免损坏LD管^[9,10] 。在LD两端并联一个小电容，同时并联一个反向二极管防止LD受到过大的反向电压而损坏。为防止过电流，可采用软件和硬件保护，即采样的电流值经处理后与限流值比较，大于限流值时，将开关管Q₆导通，V₄被箝为0V使调整管截止达到限流的目的。

3  系统软件设计

      软件采用汇编语言编写，可以通过键盘实时修改电流的给定值，同时LCD可以显示给定值和实测值。为方便调试系统软件采用模块化设计，主要包括主程序，给定给定、LCD显示及PI调节等子程序。

      系统的初始化包括DSP外围接口芯片和电流给定的初始化，键盘扫描包括给定和步进量的调整。系统主程序与外环调节程序流程图如图6所示。

4  结语

      在该设计中，采用硬件闭环负反馈与数字闭环结合的方法，构成双闭环恒流电源。硬件闭环负反馈具有很强的恒流特性，并降低数字闭环工作量。数字闭环主要起精细调整作用，使系统恒流精度得到提高。此外，充分利用F2812内置资源简化了外围芯片设计复杂性，同时，16路的ADC通道和PWM输出可以对多个恒流电源测控。因此该系统可以广泛用于光纤传感、光纤通信以及有源电流互感器的激光供能等多方面，有着良好的应用前景。