噪聲巡檢功能的并聯(lián)LDLD群驅(qū)動(dòng)電源的研制

張新英 余發(fā)軍 李偉鋒 王雙嶺 劉秀敏

(中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院電氣工程系,河南 鄭州 451191)

噪聲巡檢功能的并聯(lián)LDLD群驅(qū)動(dòng)電源的研制

張新英 余發(fā)軍 李偉鋒 王雙嶺 劉秀敏

(中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院電氣工程系,河南 鄭州 451191)

研制一種具有噪聲巡檢功能的激光二極管并聯(lián)群的驅(qū)動(dòng)電源。該驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)簡單,能夠快速實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),避免浪涌電流對激光二極管的損壞。采用FPGA和單片機(jī)共同控制,減小了單片機(jī)單個(gè)控制的負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)電路包括軟啟動(dòng)電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路、并聯(lián)群連接電路、溫度控制電路等。當(dāng)LD并聯(lián)群中有任何一個(gè)損壞時(shí),即可采用測量噪聲的方式來檢驗(yàn)和發(fā)現(xiàn),并進(jìn)行聲音和顯示器雙重報(bào)警,確保整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定。激光二極管并聯(lián)群的輸出通過選擇合適的光纖耦合器進(jìn)行耦合輸出。

噪聲;軟啟動(dòng);可調(diào)并聯(lián)LD群;電源

研制一種具有噪聲巡檢功能的激光二極管LD并聯(lián)群驅(qū)動(dòng)電源,并聯(lián)群激光二極管的輸出通過選擇合適的光纖耦合器進(jìn)行耦合,可以獲得比較大的功率。此系統(tǒng)采用單片機(jī)和FPGA相結(jié)合進(jìn)行控制,對于并聯(lián)群激光驅(qū)動(dòng)電源,除了要求激光二極管具有低的電噪聲,高的穩(wěn)定性,電源的要求更加苛刻,必須使用軟啟動(dòng)電路。而噪聲巡檢更是解決了并聯(lián)群中激光二極管損壞無法實(shí)時(shí)檢測的問題。即實(shí)現(xiàn)當(dāng)并聯(lián)LD群中任何一個(gè)損壞時(shí),可以采用噪聲檢測的方法來發(fā)現(xiàn),并進(jìn)行聲音和顯示器雙重報(bào)警,確保整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定［1］。

1 噪聲巡檢的工作原理

噪聲是指元器件、電路、儀器設(shè)備或電子系統(tǒng)中出現(xiàn)的非預(yù)期的電信號。由噪聲所造成的不良效應(yīng)稱為干擾。對半導(dǎo)體激光器的噪聲研究,可以研究器件產(chǎn)生噪聲的原理,制備低噪聲的器件,也可以根據(jù)器件噪聲的具體數(shù)值對器件進(jìn)行全面的穩(wěn)定性或者可靠性的評估。對于應(yīng)用而言,要求激光二極管具有比較低的電噪聲,而相對高的穩(wěn)定性。由于電流噪聲與驅(qū)動(dòng)器的最大輸出功率成一定的比例關(guān)系,所以,電流源的選取必須與所使用的半導(dǎo)體激光器相互匹配［2一4］。由于不匹配造成的后果將會對研究或?qū)嶒?yàn)結(jié)果造成非常大的不良影響,即半導(dǎo)體激光器的損壞。這就無形中增加了不必要的成本損失。

圖1 噪聲巡檢原理

噪聲巡檢工作原理如圖1所示,通過噪聲巡檢的方式來檢驗(yàn)并聯(lián)群LD電路中的各個(gè)數(shù)據(jù),并測量性能,如果并聯(lián)群中任何一個(gè)激光二極管受損,系統(tǒng)就會報(bào)警,直到達(dá)到LD電路所需的恒流值為止?；蛘咴谙到y(tǒng)報(bào)警時(shí)及時(shí)進(jìn)行人為的處理,從而來調(diào)節(jié)電流,最終實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件簡介

半導(dǎo)體激光器的群驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件部分比較復(fù)雜,可以分為幾大模塊。各個(gè)模塊之間并不是相互獨(dú)立的。主要包括軟啟動(dòng)或慢啟動(dòng)電路、光功率采樣電路、噪聲巡檢電路及并聯(lián)LD群連接電路、溫度控制電路,報(bào)警電路,顯示電路,紋波調(diào)零電路,恒流控制電路,A/D及D/A轉(zhuǎn)換電路等。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖

整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)和FPGA的結(jié)合來共同完成控制。激光二極管并聯(lián)群軟啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)光功率的采樣,產(chǎn)生模擬信號。這個(gè)模擬信號和溫度傳感器采集的溫度信號,經(jīng)放大器放大后再轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號,隨后送入FPGA,FPGA將此信號送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算,經(jīng)過反饋控制后的信號后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換,軟啟動(dòng)電路,送給LD并聯(lián)群。這是第一個(gè)反饋回路。光功率的具體設(shè)定值可以從鍵盤輸入,同時(shí)由八段數(shù)碼管進(jìn)行激光功率數(shù)據(jù)的顯示。采樣溫度結(jié)果經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換,再與設(shè)定值進(jìn)行比較,根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)來調(diào)整控制參數(shù),從而調(diào)整LD的工作狀態(tài),最終形成穩(wěn)定的溫度閉環(huán)控制。這是第二個(gè)反饋回路。在這兩個(gè)反饋回路的作用下,如果有任何一個(gè)激光二極管損壞,就可以通過噪聲巡檢的方法來發(fā)現(xiàn)并報(bào)警,從而得到妥善的處理。

本文控制器件選用單片機(jī)和FPGA,根據(jù)對速度的要求,單片機(jī)選用89s52,FPGA采用XILINX公司生產(chǎn)的XCS40一3PQ208C可編程邏輯器件。

3 各模塊介紹

由于各模塊電路在一些論文中多次出現(xiàn),并已經(jīng)非常成熟,現(xiàn)主要將硬件電路中的軟啟動(dòng)電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、并聯(lián)LD群連接電路這三個(gè)模塊的電路作主要介紹。

3.1 軟啟動(dòng)電路

激光二極管本身的特點(diǎn)是功率高,具有很高量子效率。溫度的變化和電流的細(xì)微變化,都會導(dǎo)致光功率輸出的變化,甚至是器件性能的變化,這些變化的發(fā)生,將會產(chǎn)生很大的安全隱患。為了使半導(dǎo)體激光器處在最安全最佳的工作狀態(tài),最佳方案是采用軟啟動(dòng)電路。在電路中使用軟啟動(dòng)電路作為激光器的直接電源驅(qū)動(dòng),能夠使電流輸出由零緩慢上升至額定值,保證激光器能夠穩(wěn)定工作而不至于損壞,從而最大限度地降低成本。

圖3 軟啟動(dòng)電路原理圖

圖3中所示為軟啟動(dòng)電路,TR1為變壓器,輸出的電壓直接加在橋式整流電路上。然后在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容C1即構(gòu)成電容濾波電路,電容濾波電路利用電容的充放電作用,使輸出電壓逐漸趨于平滑［6］。最后經(jīng)過7805穩(wěn)壓輸出加到半導(dǎo)體激光器并聯(lián)群上,有效解決了半導(dǎo)體激光器對電源供電的苛刻要求的問題。

3.2 V/I轉(zhuǎn)換電路及其與并聯(lián)群LD連接

對于V/I轉(zhuǎn)換電路,張新英等［2］已作詳細(xì)介紹,這里就不再贅述。通過計(jì)算,得出輸出電流io和電阻Ro的關(guān)系：

由式(1)可知,輸入電壓一定時(shí),輸出電流io只與電阻Ro有關(guān)。我們只需選擇合適的Ro,就可以通過簡單的線性運(yùn)算來得到控制電壓和輸出電流之間的關(guān)系。由于本文輸出電流和電阻的關(guān)系的計(jì)算過程比較簡單,此處給予省略。對于電路中的激光二極管并聯(lián)群的數(shù)量,最多能夠并聯(lián)5個(gè),并聯(lián)數(shù)量過多,將會造成輸出電流總量過大,可能燒壞激光二極管的并聯(lián)群,本文選用最佳數(shù)量5個(gè)來進(jìn)行參數(shù)的記錄和評定。

電路中繪出了激光二極管并聯(lián)的情況,并聯(lián)激光管的個(gè)數(shù)可以視實(shí)際需求情況來定。并聯(lián)群激光管的輸出再通過光纖耦合器進(jìn)行耦合［4］,從而得到比較大的輸出功率。

3.3 軟件設(shè)計(jì)流程簡介

圖4 主程序流程圖

本研究系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖4所示,直接按下start鍵,系統(tǒng)電源接通,系統(tǒng)進(jìn)行全面初始化,隨后進(jìn)行顯示子程序的調(diào)用,并在八段數(shù)碼管上顯示電流數(shù)據(jù),接著再調(diào)用鍵掃描子程序,若有按鍵按下,則啟動(dòng)全部LD,同時(shí)噪聲巡檢電路開始運(yùn)行,進(jìn)行電壓噪聲或電流噪聲的檢測。如果激光二極管群中任何一個(gè)有所損壞,系統(tǒng)將檢驗(yàn)出損壞的LD并進(jìn)行報(bào)警,報(bào)警通過LED顯示紅燈,并伴隨1KHz的聲音信號輸出。此時(shí),對于操作人員,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)損壞的激光二極管并進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)救處理,使整個(gè)系統(tǒng)能夠快速進(jìn)入正常狀態(tài)。

4 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,該裝置能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)至少5個(gè)并聯(lián)激光二極管,能夠?qū)崿F(xiàn)高穩(wěn)定度的激光二極管驅(qū)動(dòng)。能夠準(zhǔn)確、可靠地控制并聯(lián)激光二極管,進(jìn)而正確選擇利用光纖合束器來獲得大功率的輸出。而噪聲巡檢電路,更好地解決了激光二極管參數(shù)的差異引起的輸出功率不穩(wěn)定的問題。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,能夠保證穩(wěn)定功率輸出。

［1］馮偉,毛海濤,張錦龍,等.激光二極管群并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電源的研制［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器,2005(4):40一42.

［2］張新英,朱永濤,王志鵬,等.具有噪聲巡檢功能的LD可調(diào)串聯(lián)群驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)［J］應(yīng)用激光,2010,30(1):16一18.

［3］張新英,王志鵬,宋海飛,等.串聯(lián)結(jié)構(gòu)激光二極管群驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)［J］激光雜志,2009,30(6):10一11.

［4］劉竹琴,白澤生.傳感器電路的噪聲及其抗干擾技術(shù)研究［J］.光學(xué)與光電技術(shù),2011,34(14):161一165.

［5］劉竹琴,白澤生.利用固態(tài)繼電器陣列實(shí)現(xiàn)高精度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)［J］.火力與指揮控制,2015,40(5): 171一174.

［6］劉竹琴,白澤生.磁藕合諧振式無線電能傳輸裝置設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(2):32一34.

Design of Number-Adjusted GrouP of Parallel-Connected Semicon ductor Lasers Driver with Function of Achieving Noisy InsPection

Zhang Xinying Yu Fajun Li Weifeng Wang Shuangling Liu Xiumin
(Department of Electric Engineering,School of Information and Business,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou Henan 451191)

A power supply driver of a laser diode in parallel groups which has the function to achieve noisy inspection was developed.This power supply has simple construction,it can achieve soft start quickly,to avoid the damage of surge current on the laser diode.This power supply adopts the combination of FPGA and single一chip microcomputerfor control,reducing the burden of single一chip microcomputer individual control.The system circuit includes a soft start circuit,voltage/current converting circuit,connected circuit of parallelgroups,temperature control circuitand so on.This can be checked and found by using the method of measuring noise,and alarmed by sound and display when there is any LD destroyed in the group of parallel一connected semiconductor laser,which can ensure the continuous and reliablerunning of the whole system.The output of group of parallel一connected semicon ductor lasers will be carried out through selecting suitable fiber coupler.

noisy;soft start;number一adjustedgroup of parallel一connected Semiconductor Lasers;power supply

TN248.4

A

1003一5168(2015)07一0010一3

2015一7一1

張新英(1983一),女,講師,研究方向:激光電源、傳感器、虛擬儀器技術(shù)的研究。