基于MAX1968的半導體激光電源設計

袁子晴，周樂意，劉 蓉，費婷婷

（武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430079）

半導體激光器（Laser Device，LD）作為一種新型激光光源以其小型高效結(jié)構簡單、價格便宜等優(yōu)點，在通訊、醫(yī)療和測量等各個領域得到了越來越廣泛的應用。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激光器裝置的技術指標。所以激光電源的開發(fā)設計與改進就顯得尤為重要。最初的半導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[1-2]。利用專用的驅(qū)動芯片和微處理器控制技術，能有效地提高激光電源的性價比，簡化激光電源的硬件結(jié)構，增強整機的自動化程度，為整機功能的擴展提供有利的條件。隨著半導體激光器與電子技術的發(fā)展，有關LD驅(qū)動電源性能的研究越來越受到人們的重視，專用電源驅(qū)動芯片不斷出現(xiàn)，數(shù)字化控制技術逐步得到應用，性能優(yōu)異的驅(qū)動電源為半導體激光器技術的發(fā)展提供了必要條件。

1 半導體激光電源的設計分析

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個方面：

1）制造質(zhì)量問題 質(zhì)量問題造成的失效與電應力無關。質(zhì)量不合格的可以通過嚴格的檢驗加以剔除，在工程應用時應選用定點生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒有經(jīng)過認證的產(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力。在一定的電應力下，元器件的失效率會大大下降。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，應進行篩選試驗，這是一種非破壞性試驗。電源設備主要元器件的篩選試驗一般要求：電阻在室溫下按技術條件進行100%測試，剔除不合格品；普通電容器在室溫下按技術條件進行100%測試，剔除不合格品。接插件按技術條件抽樣檢測各種參數(shù)；半導體器件按以下程序進行篩選：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）設計問題 設計方面的不完善可進行人為的改善，首先須恰當選用合適的元器件，其次須優(yōu)化設計電路。選用合適元器件可從以下幾點著手：盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件；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特性的二極管；應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件；吸收電容器與開關管和輸出整流管的距離應當很近，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間的長短，與工作應力無關。

1.2 電路保護設置

為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應設置多種保護電路，如防浪涌沖擊、過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。對于激光電源而言，主要是抑制干擾源[3]。干擾源集中在開關電路與輸出整流電路。采用的技術包括濾波技術、布局與布線技術、接地技術、密封技術等。良好的布局和布線技術也是控制噪聲的一個重要手段。為減少噪聲的發(fā)生和防止由噪聲導致的誤動作，應注意以下幾點：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管和輸出整流二極管；脈沖電流流過的區(qū)域遠離輸入輸出端子，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 電源設備可靠性熱設計

溫度是影響設備可靠性最重要的因素。電源設備內(nèi)部的溫升將導致元器件的失效，當溫度超過一定值時，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，溫度超過極限值時將導致元器件失效。國外統(tǒng)計資料表明電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%；溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6。需要在技術上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設計。熱設計的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術，如移相控制技術、同步整流技術等，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。二是加強散熱，即利用傳導、輻射、對流技術將熱量轉(zhuǎn)移，這包括采用散熱器、風冷（自然對流和強迫風冷）、液冷（水、油）、熱電致冷、熱管等方法[4]。

1.4 安全性設計

對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能之一，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)生嚴重事故，造成機毀人亡的巨大損失[5]。為保證產(chǎn)品具有相當高的安全性，必須進行安全性設計。電源產(chǎn)品安全性設計的內(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、機殼等），當環(huán)境溫度為25℃時，其最高溫度不應超過60℃，面板和手動調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過50℃。

2 系統(tǒng)總體方案設計

2.1 總體實現(xiàn)框圖

基于上述設計的考慮，設計了如圖1所示的系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖。

圖1 系統(tǒng)設計框圖Fig.1 Block diagram of system design

2.2 框圖說明

模塊電源：將220 V的交流輸入轉(zhuǎn)變?yōu)? V4 A或者12 V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。同時通過電位器調(diào)節(jié)集成運放的輸入電壓。

恒流電路：通過電流反饋將輸出電流穩(wěn)定在3.3 A。

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

傳感器：進行溫度采樣，轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

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

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

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

報警電路：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)出一個警報信號，通過蜂鳴器發(fā)出警報，同時電源停止工作。

2.3 實現(xiàn)功能

該電路可以將市電的220 V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2 V3.3 A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）的導通與截止，使整個電路可以輸出一個與TTL信號同頻率的峰值為2V 3.3 A的脈沖輸出。

電路正常工作時，傳感器對激光器的溫度狀況實時監(jiān)控。如果溫度偏高，高于25℃，則傳感器的電壓大于3 V，則比例電路的輸出大于1.5 V，一方面，將此電壓傳遞給TEC驅(qū)動，則其輸出 Vos1＞Vos2，TEC制冷，導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，當電壓大于2.5 V時，輸出一個高電平信號作為警報信號，同時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)硬件電路設計

3.1 濾波調(diào)壓電路的實現(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470 μF的電解電容和2個0.1 pF的電容將5 V輸入端接地。

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

設計電路如圖2所示。

圖2 濾波調(diào)壓電路Fig.2 Filter regulator circuit

3.2 恒流電路

通過一個集成運放OP07CP進行輸出，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Fig.3 Constant current circuit

3.3 TEC驅(qū)動電路

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

常用的tec溫度控制電路大多采用分立元件搭建的pid電路，但分立電路需要進行參數(shù)整定，一般都是靠調(diào)試人員根據(jù)其經(jīng)驗確定參數(shù)值，也并不總是能達到控制要求，而且分立電路容易引入噪聲，影響控制精度[6]。另外，由于目前半導體激光器內(nèi)部通常集成了熱敏電阻和tec，價格比較昂貴，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)時還需考慮到激光器的保護問題。因此，傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)很難完成半導體激光器的溫度控制要求，而集成了控制電路與各種保護功能的專用芯片能夠較好地完成精確溫度控制的任務。

本系統(tǒng)采用MAX1968為TEC的驅(qū)動芯片，MAX1968是MAXIM公司推出的高度集成、高性價比和高效率開關型驅(qū)動器，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，盡可能地減少了外部元件。500 kHz/1 MHz開關頻率和獨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)部的兩個同步降壓穩(wěn)壓器輸出引腳之間連接tec，能夠提供±3 A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)整點非常接近環(huán)境工作點時的振蕩。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計，設計如下電路；該電路中，以OS1與OS2作為信號的輸出端，CTL1作為控制信號輸入端，其基準電壓為1.5 V，此時OS1與OS2等電壓，TEC不工作；當控制信號大于1.5 V，Vos1大于Vos2，TEC實現(xiàn)制冷功能；反之，當Vos1小于Vos2時，則實現(xiàn)制熱功能。

3.4 TTL控制電路

由于TTL電路和TEC電路同時控制恒流電路的導通和關閉，因此，將TTL電路通過非門之后與TEC警報進行或非，再經(jīng)過一個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的基極以控制其導通或截止。VMOS管的射極接到集成運放OP07CP的輸出端6腳上（BU932RP的基極），這樣，當TEC報警信號為低電平并且TTL為高電平的時候，最后一個與非門的輸出為高電平，使光電耦合器件4N25導通，其射極輸出為低電平，Q1（VMOS管T092C）不導通相當于開路，使Q2（BU932RP）的基極為高電平，NPN管導通，電路正常工作；當TEC報警信號為高電平或TTL為低電平時，最后一個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Q1導通，將Q2基極的電位拉低，使其截止，電路不工作。如圖4所示。

圖4 TTL控制電路Fig.4 TTL control circuit

3.5 比例電路的實現(xiàn)

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

圖5 比例電路Fig.5 Proportion circuit

3.6 比較電路與報警電路的實現(xiàn)

比較器由LM393AN實現(xiàn)。根據(jù)設計要求，當溫度超過155℃（對應的傳感器輸入為4 V，比例電路的輸出為0.5 V）或者低于-55℃（對應傳感器的輸入為2.2 V，比例電路輸出為2.5 V），輸出一個高電平的報警信號。因此分別選擇R6為10 kΩ，R7和R8為5 kΩ，組成一個分壓電路對+5 V進行分壓，然后分別分給LM393AN的2和5管腳，作為比較電壓。實現(xiàn)電路如圖6所示。

圖6 報警電路Fig.6 Alarm circuit

3.7 供電電源

主要設計了4塊供電模塊電源：

第一塊5 V4 A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12 V的模塊電源：專門給LD部分電路中的OP07CP供電。

第三塊12 V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LM7805將12 V轉(zhuǎn)變?yōu)? V給LM393，與非門和或非門供電。

第四塊5 V的模塊電源：給芯片MAX1968供電。

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

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用MAX1968 TEC驅(qū)動芯片，大大減少了電路分立元件的數(shù)量，改進了系統(tǒng)噪聲性能，增加了系統(tǒng)的可靠性，有效地對激光器的工作溫度進行控制，電路的控制性能令人滿意。該電源不僅高效、安全、可靠，而且提高了整個系統(tǒng)的智能化程度。電源設備可靠性的高低，不僅與電氣設計、元器件、結(jié)構、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設計，進一步提高電源的可靠性。

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