基于DSP的半導(dǎo)體激光器電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曼 金雁 崔麗

摘要：根據(jù)半導(dǎo)體激光器（LD）的特性，設(shè)計(jì)了一種以DSP為核心的半導(dǎo)體激光器電源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)本振激光器和功率放大模塊的泵浦源進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了對(duì)本振和放大泵浦模塊的溫度控制及本振和放大恒流源的控制，對(duì)高精度時(shí)序進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)了控制邏輯，并通過(guò)RS-422通信協(xié)議與人機(jī)界面進(jìn)行信息交換。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體泵浦模塊溫度控制精度為±1℃，時(shí)序控制精度高，滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)已投入工程化應(yīng)用，可有效提高泵浦模塊的效率，改善能量穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：激光電源；DSP；溫控；RS-422

中圖分類號(hào)：TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2018）07-68-4

Design of Semiconductor Laser Diode Power Control System Based on DSP

LI Man， JIN Yan， CUI Li（AVIC Manufacturing Technology Institute， Beijing 100024， China）

0引言

半導(dǎo)體激光器具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在軍事、航空、空間激光通信系統(tǒng)和生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。半導(dǎo)體激光器的廣泛應(yīng)用，要求其電源控制系統(tǒng)不斷地發(fā)展和完善，故不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)す怆娫纯刂葡到y(tǒng)的要求存在很大的差異。

傳統(tǒng)的激光器設(shè)備主要由激光器和激光電源組成，激光電源是激光器的能源，為激光器泵浦模塊提供能量。激光器的能量、穩(wěn)定性和波長(zhǎng)，不僅取決于恒流源驅(qū)動(dòng)電流的大小，而且受溫度的影響很大[2]，故激光電源控制系統(tǒng)是激光器必不可少的組成部分。本文中的半導(dǎo)體激光器，由本振作為種子光，采用一級(jí)放大的方式進(jìn)行功率放大輸出激光，因此需要電源控制系統(tǒng)協(xié)同多路恒流源和溫度控制同步工作，實(shí)現(xiàn)操控邏輯、高精度時(shí)序控制及人機(jī)交換等功能。本文采用DSP為核心控制芯片，因?yàn)樗哂须娐泛?jiǎn)潔、控制靈活及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可將各種控制集中到一起，在減小電路體積和簡(jiǎn)化電路的同時(shí)，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。

1系統(tǒng)原理

激光器電源控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

激光器工作時(shí)，設(shè)定激光器合適的工作溫度，當(dāng)控制單元采集的溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，準(zhǔn)備好指示燈亮，方可通過(guò)人機(jī)交互界面或外時(shí)鐘發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)（激光發(fā)射指令），經(jīng)過(guò)RS-422通信將發(fā)射命令送給激光器電源控制單元，當(dāng)控制單元接收到激光發(fā)射指令后，將時(shí)鐘信號(hào)一路送給本振恒流源和放大恒流源，恒流源接收到時(shí)鐘信號(hào)后，輸出一個(gè)固定脈寬和恒定電流的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光二極管泵浦模塊；另一路進(jìn)行精確的特定延時(shí)后，送給電光調(diào)Q電路，直到延遲的調(diào)Q信號(hào)到來(lái)時(shí)，瞬時(shí)輸出窄脈沖和高峰值功率的激光。

半導(dǎo)體激光器電源控制系統(tǒng)選用TI公司的TMS320F2812作為核心控制芯片，是一款低價(jià)格高性能的控制器，有3個(gè)可屏蔽的外部中斷接口，具有豐富的存儲(chǔ)器資源、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊和標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口[4]。

DSP基本功能電路組成框圖如圖2所示，主要包括電源管理模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘輸入模塊、異步串口模塊、光耦隔離模塊及I/O接口等。

①電源管理模塊采用TI公司的配置方便、輸出穩(wěn)定的TPS767D318電源芯片，該芯片電壓輸入為5 V，為DSP提供Flash電壓3.3 V和內(nèi)核電壓1.8 V的雙電壓輸出[5]。

②光耦隔離模塊采用前置專用的DC-DC隔離電路SUCS30505，將輸入電源進(jìn)行隔離，后置高速光耦TLP559芯片，進(jìn)行信號(hào)隔離，在提高傳輸速率的同時(shí)，也提高了整個(gè)電路的可靠性。

③異步串口通信模塊采用成熟可靠的MAX1482通信芯片，基于RS-422通信協(xié)議，具有低功耗和傳輸速率快的特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。采用JTAG在線編程的方式對(duì)DSP進(jìn)行配置，便于程序在線調(diào)試。

2系統(tǒng)功能

2.1邏輯控制

系統(tǒng)通過(guò)操作面板實(shí)現(xiàn)邏輯控制，主要控制功能有3個(gè)。

①內(nèi)時(shí)鐘工作：通過(guò)RS-422通信接口，向電源控制單元發(fā)射出光指令，工作頻率可1～20 Hz切換，同時(shí)通過(guò)LED反饋激光器工作狀態(tài)。

②外時(shí)鐘工作：利用外部開關(guān)切換至外時(shí)鐘，利用DSP外部中斷接口檢測(cè)外時(shí)鐘。

③自檢功能：通過(guò)按壓自檢開關(guān)，觸發(fā)激光器發(fā)射激光。

2.2高精度時(shí)序控制

激光器輸出能量的大小和穩(wěn)定性與激光電源的高精度時(shí)序是密不可分的，必須確保電源控制系統(tǒng)輸出時(shí)鐘的精度及穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)μs級(jí)高精度控制邏輯，采用DSP控制芯片內(nèi)置的PLL模塊完成高精度時(shí)序控制，鎖相環(huán)獨(dú)有的負(fù)反饋和倍頻技術(shù)可以提供高精度、穩(wěn)定的頻率，DSP輸入時(shí)鐘30 MHz，倍頻到150 MHz，時(shí)鐘周期可達(dá)6.67 ns。通過(guò)精確的技術(shù)方法，按照設(shè)計(jì)的延時(shí)產(chǎn)生所需的各路時(shí)鐘，可以滿足高精度的時(shí)序配置要求。

2.3恒流源驅(qū)動(dòng)控制

恒流源驅(qū)動(dòng)控制原理如圖3所示。激光電源控制系統(tǒng)接收到激光發(fā)射的信號(hào)后，DSP輸出12位數(shù)字信號(hào)，通過(guò)DAC1230芯片，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬參考電壓信號(hào)。恒流源電路中的采樣電阻R將通過(guò)泵浦模塊的電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，經(jīng)過(guò)F放大電路后，與參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此信號(hào)控制功率管的開關(guān)。同時(shí)可通過(guò)DSP改變參考電壓的大小，實(shí)現(xiàn)恒流源電流的調(diào)節(jié)。激光電源控制系統(tǒng)還可通RS-422通信接口，遠(yuǎn)程設(shè)置恒流源的電流和脈寬。

2.4溫度控制系統(tǒng)

溫度是影響激光器泵浦模塊輸出波長(zhǎng)和泵浦效率的重要因素，故對(duì)泵浦模塊進(jìn)行控溫是必不可少的[6]。半導(dǎo)體激光器一般采用半導(dǎo)體熱電致冷器（TEC）進(jìn)行控溫，該制冷器具有無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)污染、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)、制冷迅速、冷量調(diào)節(jié)范圍寬及冷熱轉(zhuǎn)換快等特點(diǎn)。測(cè)溫元件采用電流輸出型溫度傳感器AD590，特點(diǎn)是工作直流電壓較寬，一般為4～30 V，輸出電流為223μA（-50℃）～423μA（+150℃），靈敏度為 1μA/℃[7]。

溫度控制系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器AD590測(cè)量到泵浦模塊的溫度并將溫度值轉(zhuǎn)化成電流值，經(jīng)采樣電阻將電流值轉(zhuǎn)換成電壓值，通過(guò)放大電路將電壓信號(hào)放大后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，DSP將采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度進(jìn)行比較和運(yùn)算，調(diào)整輸出脈寬。

溫控電路采用MOS場(chǎng)效應(yīng)功率管組成的全橋電路對(duì)半導(dǎo)體致冷片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，采用增量型數(shù)字PID算法來(lái)調(diào)整PWM脈寬輸出來(lái)改變其平均電流，當(dāng)TEC器件有正向電流通過(guò)時(shí)，熱量從冷端流向熱端，TEC對(duì)泵浦模塊制冷；當(dāng)TEC器件有反向電流通過(guò)時(shí)，熱量流動(dòng)方向則相反，TEC對(duì)泵浦模塊加熱。因此需要控制器調(diào)節(jié)TEC器件電流方向來(lái)達(dá)到恒溫控制的目的，溫度控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要由主程序和溫度控制程序組成，主程序完成的功能是控制激光器的起停，當(dāng)控制單元接收到出光信號(hào)后，同時(shí)溫度準(zhǔn)備好，控制單元向本振和放大恒流源發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)固定的延時(shí)向控制單元送出電光調(diào)Q信號(hào)，激光器出光。當(dāng)接收到停止發(fā)射指令，控制單元停止發(fā)射時(shí)鐘，激光器停止出光，主程序流程如圖5所示。

溫度控制程序是為激光器出光做準(zhǔn)備，主要完成的功能是數(shù)據(jù)采集與處理，通過(guò)電流信號(hào)控制TEC的加熱制冷來(lái)控制泵浦模塊的溫度，讀取溫度及上報(bào)準(zhǔn)備好的信號(hào)。根據(jù)半導(dǎo)體激光器泵浦模塊的工作特性，泵浦模塊的最佳工作溫度范圍為30℃左右，通過(guò)這種控制方式將溫度控制在30±1℃，溫度控制子程序流程如圖6所示。

4測(cè)試結(jié)果分析

4.1控制精度測(cè)試

激光器在工作過(guò)程中隨機(jī)抽取采集到10個(gè)溫度值，得到控制溫度與測(cè)試溫度的測(cè)試結(jié)果如表1所示，溫度測(cè)試有效誤差小于±1℃，滿足控制精度的要求。

4.2高精度時(shí)序測(cè)試

在試驗(yàn)中，經(jīng)示波器測(cè)試，得到高精度信號(hào)時(shí)序圖，如圖7所示，1通道為時(shí)鐘信號(hào)，3通道為本振恒流源電流信號(hào)，4通道為放大恒流源電流信號(hào)，2通道為調(diào)Q信號(hào)。圖中示波器顯示每格為200μs，故滿足μs級(jí)高精度時(shí)序配置。

4.3溫度穩(wěn)定性測(cè)試

激光器最佳工作溫度為30℃，測(cè)試過(guò)程中，連續(xù)工作5 h，記錄溫度值，結(jié)果如圖8所示，測(cè)試結(jié)果表明溫控系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于DSP的半導(dǎo)體激光器電源控制系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)溫度控制精度優(yōu)于±1℃，達(dá)到了μs級(jí)高精度時(shí)序配置，可有效提高泵浦模塊的效率，改善能量穩(wěn)定性，應(yīng)用在半導(dǎo)體激光器中，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

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