高精度半導體激光器驅動(dòng)電源系統的設計

O 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(jià)格低廉，功耗小等一系列優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應用。LD是理想的電子－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(dòng)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(mǎn)足要求。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 )損壞半導體激光器。這里將以TI公司的DSP芯片TMS320F2812為控制核心，實(shí)現帶有多種保護的雙閉環(huán)高精度半導體激光驅動(dòng)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(shí)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(xiàn)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(shí)時(shí)檢測和控制，屬于開(kāi)環(huán)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(pán)、LCD顯示、RS 232通信接口以及DSP處理器等環(huán)節組成，系統結構框圖如圖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運算處理后輸出相應占空比的PWM信號。PWM經(jīng)低通濾波器、放大調理后實(shí)現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“壓控恒流”。F2812實(shí)時(shí)對輸出的電流采樣，采樣數據經(jīng)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(guò)PI運算得到控制量Uk來(lái)調整PWM的輸出實(shí)現恒流。

2 系統硬件設計
2．1 直流電源模塊實(shí)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。+15 V用于“壓控恒流模塊”和運算放大器供電；-15 V用于運算放大器負電源供電；+5 V用于數控模塊供電。將+5 V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+15 V電流得到2 A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+15 V和-15 V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β1和β2，則Q1，Q2基極電容C3，C1等效到射極，分別就為(1+β1)C3和(1+β2)C4，從實(shí)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(shí)，如果LM7915穩壓器的輸入端開(kāi)路，這時(shí)LM7915無(wú)輸出，+15 V經(jīng)負載加到LM7915的輸出端以致?lián)p壞LM7915。LM7815的保護原理相同。