高精度半導體激光器驅動電源系統的設計

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，價格低廉，功耗小等一系列優點，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。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、RS 232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Uk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。+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，+15 V經負載加到LM7915的輸出端以致損壞LM7915。LM7815的保護原理相同。