高精度半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 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是理想的電子－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。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、LCD顯示、RS 232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Uk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。+15 V用于“壓控恒流模塊”和運(yùn)算放大器供電；-15 V用于運(yùn)算放大器負(fù)電源供電；+5 V用于數(shù)控模塊供電。將+5 V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+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(duì)+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(shù)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(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，+15 V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。