高精度半导体激光器驱动电源系统的设计
刘平英，丁友林
(金肯职业技术学院 江苏南京 211156)
摘 要：介绍一种以DSP T M S320F2812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DSP 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PW M 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。
关键词:DSP ；半导体激光器;PI 算法;PW M
中图分类号:T N248.1    文献标识码:B      文章编号:1004-373X(2009)08-166-04
Design of High Precision Semiconductor Lasers Driver Source System
L IU Ping ying ,DI NG Yo ulin
(Ji nken Co ll eg e o f T echno log y,Nanjing,211156,China)
Abstract :A highly pr ecise cur rent source dr iver system o f semiconductor laser s is pr esented,w hich ado pts the DSP T M S320F 2812as co ntr ol co re unit.T he system uses a combinatio n of high -pow er Darlingto n tr ansisto r as an adjust or and neg ativ e feedback cir cuit o f cur rent to r ealize constant cur rent output.T he DSP inter ior integr ated A DC is used to sample the cur rent date that co ntr ol the output of P WM after PI algo rit hm pro cessed,w hich is to r ealize dy namic err or regulation and eliminate static er ro r in the circuit.T he pro tect functio n at ov er-curr ent o r ov er-vo ltag e protection circuit and delay star tup unit is added into the sy stem t o impro ve its st abilit y.T he r esult s o f ex periments show that the curr ent output o f the system is betw een 10~2500mA ,and the absolute v alue of the chang ing curr ent output is smaller than 0.1%+1m A,and ensure that lasers diode runs r eliably.
Keywords :DSP;semico nduct or lasers diode;P I alg or ithm;P WM
收稿日期:2008-07-22
基金项目：江苏省高校高级人才科研基金资助资助
(04JDG021)
0 引 言
半导体激光器(LD)是一种固体光源，由于其具有单性好，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 是理想的电子-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、RS 232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。
图1 系统结构框图
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。
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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 Cur rent)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 K 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R P3和大功率达林顿管T IP147组成，调节R P3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R C - 型有源滤波方法，变阻R P1,Q 1,C 3与R P2,Q 2,C 4组成两个R C 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Q 1和Q 2放大倍数为 1和 2，则Q 1,Q 2基极电容C 3,C 4等效到射极，分别
就为(1+模块电源故障
1)C 3和(1+ 2)C 4，从实现大电阻大电容滤波并减小了电路的体积。图中
D 5,D 6为电源故障显示,D 7和D 8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LM 7915无输出,+15V 经负载加到LM 7915的输出端以致损坏LM7915。LM 7815
的保护原理相同。
图2 直流电源电路
2.2 恒流源模块实现
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 ,R 4,R 5,R f 和运放U 5构成反馈网络。假若运放U 4是理想的，设输入电压为V s ，输出电压为U o 。由运放 虚短 可得:
I o =R 5
R s (R 5+R f )
V s (1)
R s ,R 5,R f 不变时，输入电压V s 恒定输出电流I o 恒定。运放U 4,U 5，电阻R s ,R 5,R f 自身的稳定性恒流源的稳定性起决定性作用。因此,U 4,U 5选用高精度运放OP-27，其漂移仅为0.2 V/!，最大噪声电压为0.25 V 。R 5,R f 选用温漂系数低、精度较高的电阻。采样电阻R s 选用阻值为0.01!大功率锰铜丝电阻，其精度为1%。Q 5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Q 4(9014)驱动Q 5。C 15,C 16,D 9,L 1构成低通滤波以减少电源中高次谐波对LD 的影响,D 5在Q 5截止时起到
扼制流作用。
图3 恒流源与信号调理电路
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A 1A 0引脚置位(A 1A 0=00,A 1A 0=01,A 1A 0=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:
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f (t)=A 0+
∃%
n=1
[A n cos (2n  t T )+B n sin (2n  t T )](2)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。
A 0=3.3(q A n =3.31n  {sin (n  q)-sin [2n  (1-q/2)]}
B n =0
(3)
由式(3)可知只要将高频直流分量A n 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Butterw or th 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:
H (s)=V o (s)V in (s)=Gb 0
s n +b n -1s n -1
+∋+b n s +b 0
(4)式中:G,b n -1,∋,b 0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,
b 0=
1
R 6R 7R 8C 22C 23
b 1=A (1R 6+1R 7)+1R 7
R 8C 23-1
R 27C 22b 2=A +1R 6+1R 7G =u
(5)
式中:
u =1+
R 10R 9
A =C 22R 8(1-u)+C 23(1R 7+1R 8
)
/C 22C 23(6)
由归一化方法可得，将截止频率f C (H z)和电容C 21都归一化，所以电阻系数为K =100/f C C ),C )是以 F 为单位的C 21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R 6~R 10电容C 22~C 23( F)的系数分别为2.491,2.339,0.692,11.043,11.043,C 21,C 21。选择f C =1000,C )=0.01时，图4中R 6~R 10,C 21~C 23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,Butterw or th 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; NU M  键表示步进量选择。预置电流步进量分为&10m A 和&1mA，可以输入10~2500mA 范围内电流值，预置电流输入按下 EN
TER  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。
图4 三阶反馈有源低通滤波器
图5 三阶反馈有源滤波幅频特性
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V s 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V s 。将几个前向导通的二极管与激光器LD 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LD 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Q 6导通,V 4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
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程序与外环调节程序流程图如图6
所示。
图6 主程序与外环调节程序流程图
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A DC 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。
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作者简介 刘平英 女,1979年出生，河南安阳人，工学硕士，教师。从事电气自动化技术专业的科研和教学工作。
丁友林 男,1982年出生，江苏宿迁人，江苏大学硕士研究生。从事有源光电互感器供能的研究工作。
(上接第165页)
有体积小，功耗低，成本低，使用灵活方便，硬件电路简单，可在线更新等特点；而且还充分利用了微机资源和LabVIEW 的灵活性，因而易开发，且扩展性好。目前，基于LabVIEW 与USB 的虚拟仪器已经用于我校电子电工实验室建设之中，能达到高速数据传输、记录及显示的要求，具有较高的实用价值。
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作者简介 魏 勇 男,1979年出生,2006年毕业于长江大学电子信息学院信号采集与处理专业，获硕士学位，现在任教于长江
大学电子信息学院。研究方向为信号采集与处理。
孙士平 男,1968年出生，副教授。研究方向为控制理论与工程。
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