基于MAX1968的半導(dǎo)體激光電源設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于MAX1968的半導(dǎo)體激光電源設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：作為激光器重要組成部分的激光器電源，其輸出不僅要求大電流、低電壓、高穩(wěn)定度，而且工作脈沖頻率較高（可達(dá)50MHz）。針對此目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種個(gè)將5V、4A轉(zhuǎn)換為2.4V、3.3A恒流輸出的激光器電源輸出轉(zhuǎn)換電路，為激光器提供穩(wěn)定的電流，并通過TTL控制電路使輸出頻率可調(diào)。除此之外，筆者本文還討論了一種半導(dǎo)體激光溫度控制電路的設(shè)計(jì)方案，采用高集成、高性價(jià)比和高效率開關(guān)型驅(qū)動(dòng)芯片MAX1968實(shí)現(xiàn)熱電致冷驅(qū)動(dòng)電路，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視和控制激光器溫度，以穩(wěn)定激光器的輸出功率和波長。

半導(dǎo)體激光器（LaserDevice，LD）作為一種新型激光光源以其小型高效結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在通訊、醫(yī)療和測量等各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。激光電源是激光裝置的重要組成部分，其性能的好壞直接影響到整個(gè)激光器裝置的技術(shù)指標(biāo)。所以激光電源的開發(fā)設(shè)計(jì)與改進(jìn)就顯得尤為重要。初的半導(dǎo)體激光器采用直流線性電源和RC充電電路，這種電源效率不高，體積和重量較大。利用專用的驅(qū)動(dòng)芯片和微處理器控制技術(shù)，能有效地提高激光電源的性價(jià)比，簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)整機(jī)的自動(dòng)化程度，為整機(jī)功能的擴(kuò)展提供有利的條件。隨著半導(dǎo)體激光器與電子技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)LD驅(qū)動(dòng)電源性能的研究越來越受到人們的重視，專用電源驅(qū)動(dòng)芯片不斷出現(xiàn)，數(shù)字化控制技術(shù)逐步得到應(yīng)用，性能優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)電源為半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展提供了必要條件。

1半導(dǎo)體激光電源的設(shè)計(jì)分析

1.1元器件的選用。

元器件直接決定電源的可靠性，故元器件的選用非常重要。元器件的失效主要集中在以下4個(gè)方面：

1）制造質(zhì)量問題質(zhì)量問題造成的失效與電應(yīng)力無關(guān)。

質(zhì)量不合格的可以通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)加以剔除，在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒有經(jīng)過的產(chǎn)品。

2）元器件可靠性問題元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于電應(yīng)力。在一定的電應(yīng)力下，元器件的失效率會(huì)大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn)，這是一種非破壞性試驗(yàn)。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求：電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100％測試，剔除不合格品；普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100％測試，剔除不合格品。接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數(shù)；半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選：目檢→初測→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試。

3）設(shè)計(jì)問題設(shè)計(jì)方面的不完善可進(jìn)行人為的改善，首先須恰當(dāng)選用合適的元器件，其次須優(yōu)化設(shè)計(jì)電路。選用合適元器件可從以下幾點(diǎn)著手：盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件；多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目；輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管；應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件；吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。

4）損耗問題損耗引起的元器件失效取決于工作時(shí)間的長短，與工作應(yīng)力無關(guān)。

1.2電路保護(hù)設(shè)置

為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應(yīng)設(shè)置多種保護(hù)電路，如防浪涌沖擊、過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護(hù)電路。對于激光電源而言，主要是抑制干擾源。干擾源集中在開關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等。良好的布局和布線技術(shù)也是控制噪聲的一個(gè)重要手段。為減少噪聲的發(fā)生和防止由噪聲導(dǎo)致的誤動(dòng)作，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積；緩沖電路盡量貼近開關(guān)管和輸出整流二極管；脈沖電流流過的區(qū)域遠(yuǎn)離輸入輸出端子，使噪聲源和出口分離；控制電路和功率電路分開，采用單點(diǎn)接地方式，大面積接地容易引起天線作用，所以不要采用大面積接地方式；必要時(shí)可以將輸出濾波電感安置在地回路上；采用多只低ESR（等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波；相鄰印制線之間不應(yīng)有過長的平行線，走線盡量避免平行，采用垂直交叉方式，線寬不要突變，也不要突然拐角，禁止環(huán)形走線。

1.3電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)

溫度是影響設(shè)備可靠性重要的因素。電源設(shè)備內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件的失效，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，溫度超過極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效。國外統(tǒng)計(jì)資料表明電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％；溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。需要在技術(shù)上采取措施限制機(jī)箱及元器件的溫升，這就是熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強(qiáng)散熱，即利用傳導(dǎo)、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括采用散熱器、風(fēng)冷（自然對流和強(qiáng)迫風(fēng)冷）、液冷（水、油）、熱電致冷、熱管等方法。

1.4安全性設(shè)計(jì)

對于電源而言，安全性歷來被確定為重要的性能之一，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴(yán)重事故，造成機(jī)毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當(dāng)高的安全性，必須進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是防止觸電和燒傷。為了防止燒傷，對于可能與人體接觸的暴露部件（散熱器、機(jī)殼等），當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，其溫度不應(yīng)超過60℃，面板和手動(dòng)調(diào)節(jié)部分的溫度不超過50℃。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1總體實(shí)現(xiàn)框圖

基于上述設(shè)計(jì)的考慮，設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖。

圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2框圖說明

模塊電源：將220V的交流輸入轉(zhuǎn)變?yōu)?V4A或者12V的直流輸出，給激光電源供電。

濾波調(diào)壓：通過電容接地濾除干擾，使輸入波形完整。同時(shí)通過電位器調(diào)節(jié)集成運(yùn)放的輸入電壓。

恒流電路：通過電流反饋將輸出電流穩(wěn)定在3.3A。

TTL控制：用來輸入TTL電平，控制輸出一個(gè)同頻率的2V3.3A的脈沖信號。

傳感器：進(jìn)行溫度采樣，轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

比例電路：將傳感器輸入的電壓信號進(jìn)行一定比例的轉(zhuǎn)換，使其滿足TEC驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓。

比較電路：將比例調(diào)節(jié)電路的輸出與基準(zhǔn)電壓（1.2～2.5V根據(jù)傳感器的工作性能設(shè)定）進(jìn)行比較，超出此范圍發(fā)出警報(bào)信號。

TEC驅(qū)動(dòng)：根據(jù)比例調(diào)節(jié)電路輸出的電壓來控制TEC內(nèi)部電流的方向，從而調(diào)節(jié)TEC的制冷或者制熱功能。

TEC：根據(jù)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)來對激光器進(jìn)行制冷或者制熱，使其溫度穩(wěn)定。

報(bào)警電路：接受比較電路的輸出電壓與極限電壓比較，如有超出則發(fā)出一個(gè)警報(bào)信號，通過蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)電源停止工作。

2.3實(shí)現(xiàn)功能

該電路可以將市電的220V交流電通過濾波調(diào)壓電路和恒流穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的2V3.3A的恒流輸出，用以給激光器供電。在有TTL信號輸入的情況下，通過TTL信號以及光電耦合器件來控制Q2（T092C）的導(dǎo)通與截止，使整個(gè)電路可以輸出一個(gè)與TTL信號同頻率的峰值為2V3.3A的脈沖輸出。

電路正常工作時(shí)，傳感器對激光器的溫度狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果溫度偏高，高于25℃，則傳感器的電壓大于3V，則比例電路的輸出大于1.5V，一方面，將此電壓傳遞給TEC驅(qū)動(dòng)，則其輸出Vos1＞Vos2，TEC制冷，導(dǎo)致激光器的溫度降低；另一方面，將比例電路的輸出傳遞給比較電路，當(dāng)電壓大于2.5V時(shí)，輸出一個(gè)高電平信號作為警報(bào)信號，同時(shí)此信號傳遞給恒流電路，使電路不工作。反之，工作原理一樣。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1濾波調(diào)壓電路的實(shí)現(xiàn)

在濾波電路中，要濾除低頻的干擾，需要用比較大的電解性電容接地；濾除高頻的干擾，需要較小的電容接地。因此選擇2個(gè)470μF的電解電容和2個(gè)0.1pF的電容將5V輸入端接地。

調(diào)節(jié)電壓部分：用一個(gè)100kΩ電位器進(jìn)行粗調(diào)，串聯(lián)一個(gè)5kΩ電位器進(jìn)行微調(diào)，以保證運(yùn)放的輸入端可以得到預(yù)想的電壓值。

設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2濾波調(diào)壓電路

3.2恒流電路

通過一個(gè)集成運(yùn)放OP07CP進(jìn)行輸出，將輸出電流采樣反饋到輸入端，從而使電流穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3恒流電路

3.3TEC驅(qū)動(dòng)電路

熱電致冷器（tec）是利用帕耳貼（peltier）效應(yīng)進(jìn)行制冷或加熱的半導(dǎo)體器件。在tec兩端加上直流工作電壓會(huì)使tec的一端發(fā)熱，另一端致冷；把tec兩端的電壓反向則會(huì)導(dǎo)致相反的熱流向。

常用的tec溫度控制電路大多采用分立元件搭建的pid電路，但分立電路需要進(jìn)行參數(shù)整定，一般都是靠調(diào)試人員根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)確定參數(shù)值，也并不總是能達(dá)到控制要求，而且分立電路容易引入噪聲，影響控制精度[6]。另外，由于目前半導(dǎo)體激光器內(nèi)部通常集成了熱敏電阻和tec，價(jià)格比較昂貴，若發(fā)生tec過壓、過流情況，容易把激光器燒壞，搭建溫控系統(tǒng)時(shí)還需考慮到激光器的保護(hù)問題。因此，傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)很難完成半導(dǎo)體激光器的溫度控制要求，而集成了控制電路與各種保護(hù)功能的專用芯片能夠較好地完成溫度控制的任務(wù)。

本系統(tǒng)采用MAX1968為TEC的驅(qū)動(dòng)芯片，MAX1968是MAXIM公司推出的高度集成、高性價(jià)比和高效率開關(guān)型驅(qū)動(dòng)器，適用于peltier熱電制冷器模塊。它采用直接電流控制，消除了tec中的浪涌電流。片內(nèi)fet在提供高效率的同時(shí)，盡可能地減少了外部元件。500kHz/1MHz開關(guān)頻率和獨(dú)特的紋波消除電路減小了元件的尺寸和電源噪聲。MAX1968單電源工作，在芯片內(nèi)部的兩個(gè)同步降壓穩(wěn)壓器輸出引腳之間連接tec，能夠提供±3A雙極性輸出。雙極性工作能夠?qū)崿F(xiàn)無“死區(qū)”溫度控制，以及避免了輕載電流時(shí)的非線性問題。該方案通過少許加熱或制冷可避免控制系統(tǒng)在調(diào)整點(diǎn)非常接近環(huán)境工作點(diǎn)時(shí)的振蕩。MAX1968采用薄型28引腳tssop-ep封裝，工作于-40～85℃的溫度范圍。

按照芯片資料上的典型電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)如下電路；該電路中，以O(shè)S1與OS2作為信號的輸出端，CTL1作為控制信號輸入端，其基準(zhǔn)電壓為1.5V，此時(shí)OS1與OS2等電壓，TEC不工作；當(dāng)控制信號大于1.5V，Vos1大于Vos2，TEC實(shí)現(xiàn)制冷功能；反之，當(dāng)Vos1小于Vos2時(shí)，則實(shí)現(xiàn)制熱功能。

3.4TTL控制電路

由于TTL電路和TEC電路同時(shí)控制恒流電路的導(dǎo)通和關(guān)閉，因此，將TTL電路通過非門之后與TEC警報(bào)進(jìn)行或非，再經(jīng)過一個(gè)非門輸入到光電耦合器件4N25。光電耦合器件4N25主要起到隔離LD電源部分電路與其他部分電路的地端，如果無此隔離，信號會(huì)產(chǎn)生相互影響，從而使電路不能正常工作。信號通過4N25的射極輸入到VMOS管T092C的基極以控制其導(dǎo)通或截止。VMOS管的射極接到集成運(yùn)放OP07CP的輸出端6腳上（BU932RP的基極），這樣，當(dāng)TEC報(bào)警信號為低電平并且TTL為高電平的時(shí)候，一個(gè)與非門的輸出為高電平，使光電耦合器件4N25導(dǎo)通，其射極輸出為低電平，Q1（VMOS管T092C）不導(dǎo)通相當(dāng)于開路，使Q2（BU932RP）的基極為高電平，NPN管導(dǎo)通，電路正常工作；當(dāng)TEC報(bào)警信號為高電平或TTL為低電平時(shí)，一個(gè)與非門的輸出為低電平，使光電耦合器件的射極輸出為高電平，這時(shí)Q1導(dǎo)通，將Q2基極的電位拉低，使其截止，電路不工作。如圖4所示。

圖4TTL控制電路

3.5比例電路的實(shí)現(xiàn)

其中α＝R10/R11，R10為一個(gè)50kΩ的電位器，R11為一個(gè)10kΩ的金屬膜電阻，為了使R10的旋鈕位于中間位置，取R10為20kΩ，即α=2。而根據(jù)傳感器電壓與溫度的特性，當(dāng)傳感器信號輸入端為3V時(shí)，要使輸出VO為1.5V，代入公式計(jì)算得V＋為2.5V，因此V＋用一個(gè)集成運(yùn)放（LM358）與一個(gè)電位器連接起來輸出一個(gè)2.5V的電壓，電路如圖5所示。

圖5比例電路

3.6比較電路與報(bào)警電路的實(shí)現(xiàn)

比較器由LM393AN實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)溫度超過155℃（對應(yīng)的傳感器輸入為4V，比例電路的輸出為0.5V）或者低于-55℃（對應(yīng)傳感器的輸入為2.2V，比例電路輸出為2.5V），輸出一個(gè)高電平的報(bào)警信號。因此分別選擇R6為10kΩ，R7和R8為5kΩ，組成一個(gè)分壓電路對+5V進(jìn)行分壓，然后分別分給LM393AN的2和5管腳，作為比較電壓。

實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。

圖6報(bào)警電路

3.7供電電源

主要設(shè)計(jì)了4塊供電模塊電源：

塊5V4A的模塊電源：主要給LD的主電路（除與非門與或非門）供電。

第二塊12V的模塊電源：專門給LD部分電路中的OP07CP供電。

第三塊12V的模塊電源：給TEC部分的主電路供電，包括芯片LM358，為了節(jié)省電源，用一個(gè)LM7805將12V轉(zhuǎn)變?yōu)?V給LM393，與非門和或非門供電。

第四塊5V的模塊電源：給芯片MAX1968供電。

但通過計(jì)算可發(fā)現(xiàn)OP07CP在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路中的工作功率很小，要求的電壓5V已足夠，從節(jié)省成本的方面考慮，可將專門對其供電的12V模塊電源去掉。

4結(jié)束語

本系統(tǒng)采用MAX1968TEC驅(qū)動(dòng)芯片，大大減少了電路分立