基于MAX1968的半导体激光电源设计

出处：z001 发布于：2011-08-30 11:17:37

　　摘要：作为激光器重要组成部分的激光器电源，其输出不仅要求大电流、低电压、高稳定度，而且工作脉冲频率较高（可达50 MHz）。针对此目标，设计了一种个将5 V、4 A 转换为2.4 V、3.3 A 恒流输出的激光器电源输出转换电路，为激光器提供稳定的电流，并通过TTL 控制电路使输出频率可调。除此之外，笔者本文还讨论了一种半导体激光温度控制电路的设计方案，采用高集成、高性价比和高效率开关型驱动芯片MAX1968 实现热电致冷驱动电路，能够实时监视和控制激光器温度，以稳定激光器的输出功率和波长。

　　半导体激光器（Laser Device，LD）作为一种新型激光光源以其小型高效结构简单、价格便宜等优点，在通讯、医疗和测量等各个领域得到了越来越广泛的应用。激光电源是激光装置的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到整个激光器装置的技术指标。所以激光电源的开发设计与改进就显得尤为重要。初的半导体激光器采用直流线性电源和RC 充电电路，这种电源效率不高，体积和重量较大。利用专用的驱动芯片和微处理器控制技术，能有效地提高激光电源的性价比，简化激光电源的硬件结构，增强整机的自动化程度，为整机功能的扩展提供有利的条件。随着半导体激光器与电子技术的发展，有关LD 驱动电源性能的研究越来越受到人们的重视，专用电源驱动芯片不断出现，数字化控制技术逐步得到应用，性能优异的驱动电源为半导体激光器技术的发展提供了必要条件。

　　1 半导体激光电源的设计分析

　　1.1 元器件的选用。

　　元器件直接决定电源的可靠性，故元器件的选用非常重要。元器件的失效主要集中在以下4 个方面：

　　1）制造质量问题质量问题造成的失效与电应力无关。

　　质量不合格的可以通过严格的检验加以剔除，在工程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品，不允许使用没有经过的产品。

　　2）元器件可靠性问题元器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于电应力。在一定的电应力下，元器件的失效率会大大下降。为剔除不符合使用要求的元器件，包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、早期失效等，应进行筛选试验，这是一种非破坏性试验。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求：电阻在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品；普通电容器在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品。接插件按技术条件抽样检测各种参数；半导体器件按以下程序进行筛选：目检→初测→高温贮存→高低温冲击→电功率老化→高温测试→低温测试→常温测试。

　　3）设计问题设计方面的不完善可进行人为的改善，首先须恰当选用合适的元器件，其次须优化设计电路。选用合适元器件可从以下几点着手：尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件；多采用集成电路，减少分立器件的数目；输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管；应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件；吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。

　　4）损耗问题损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短，与工作应力无关。

　　1.2 电路保护设置

　　为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作，应设置多种保护电路，如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等保护电路。对于激光电源而言，主要是抑制干扰源。干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、接地技术、密封技术等。良好的布局和布线技术也是控制噪声的一个重要手段。为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作，应注意以下几点：尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积；缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管；脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离；控制电路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引起天线作用，所以不要采用大面积接地方式；必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上；采用多只低ESR（等效串联电阻）的电容并联滤波；相邻印制线之间不应有过长的平行线，走线尽量避免平行，采用垂直交叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角，禁止环形走线。

　　1.3 电源设备可靠性热设计

　　温度是影响设备可靠性重要的因素。电源设备内部的温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加，温度超过极限值时将导致元器件失效。国外统计资料表明电子元器件温度每升高2 ℃，可靠性下降10％；温升50 ℃时的寿命只有温升25 ℃时的1/6。需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升，这就是热设计。热设计的原则，一是减少发热量，即选用更优的控制方式和技术，如移相控制技术、同步整流技术等，另外就是选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，提高电源的效率。二是加强散热，即利用传导、辐射、对流技术将热量转移，这包括采用散热器、风冷（自然对流和强迫风冷）、液冷（水、油）、热电致冷、热管等方法。

　　1.4 安全性设计

　　对于电源而言，安全性历来被确定为重要的性能之一，不安全的产品不但不能完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容主要是防止触电和烧伤。为了防止烧伤，对于可能与人体接触的暴露部件（散热器、机壳等），当环境温度为25 ℃时，其温度不应超过60 ℃，面板和手动调节部分的温度不超过50 ℃。

　　2 系统总体方案设计

　　2.1 总体实现框图

　　基于上述设计的考虑，设计了如图1 所示的系统总体实现框图。

图1 系统设计框图

　　2.2 框图说明

　　模块电源：将220 V 的交流输入转变为5 V4 A 或者12 V的直流输出，给激光电源供电。

　　滤波调压：通过电容接地滤除干扰，使输入波形完整。同时通过电位器调节集成运放的输入电压。

　　恒流电路：通过电流反馈将输出电流稳定在3.3 A。

　　TTL 控制：用来输入TTL 电平，控制输出一个同频率的2 V3.3 A 的脉冲信号。

　　传感器：进行温度采样，转换为电压输出。

　　比例电路：将传感器输入的电压信号进行一定比例的转换，使其满足TEC 驱动电路的工作电压。

　　比较电路：将比例调节电路的输出与基准电压（1.2～2.5 V 根据传感器的工作性能设定）进行比较，超出此范围发出警报信号。

　　TEC 驱动：根据比例调节电路输出的电压来控制TEC 内部电流的方向，从而调节TEC 的制冷或者制热功能。

　　TEC：根据驱动状态来对激光器进行制冷或者制热，使其温度稳定。

　　报警电路：接受比较电路的输出电压与极限电压比较，如有超出则发出一个警报信号，通过蜂鸣器发出警报，同时电源停止工作。

　　2.3 实现功能

　　该电路可以将市电的220 V 交流电通过滤波调压电路和恒流稳压电路转换为稳定的2 V3.3 A 的恒流输出，用以给激光器供电。在有TTL 信号输入的情况下，通过TTL 信号以及光电耦合器件来控制Q2（T092C）的导通与截止，使整个电路可以输出一个与TTL 信号同频率的峰值为2V 3.3 A 的脉冲输出。

　　电路正常工作时，传感器对激光器的温度状况实时监控。如果温度偏高，高于25 ℃，则传感器的电压大于3 V，则比例电路的输出大于1.5 V，一方面，将此电压传递给TEC 驱动，则其输出Vos1＞Vos2，TEC 制冷，导致激光器的温度降低；另一方面，将比例电路的输出传递给比较电路，当电压大于2.5 V 时，输出一个高电平信号作为警报信号，同时此信号传递给恒流电路，使电路不工作。反之，工作原理一样。

　　3 系统硬件电路设计

　　3.1 滤波调压电路的实现

　　在滤波电路中，要滤除低频的干扰，需要用比较大的电解性电容接地；滤除高频的干扰，需要较小的电容接地。因此选择2个470 μF 的电解电容和2 个0.1 pF 的电容将5 V 输入端接地。

　　调节电压部分：用一个100 kΩ 电位器进行粗调，串联一个5kΩ电位器进行微调，以保证运放的输入端可以得到预想的电压值。

　　设计电路如图2 所示。

图2 滤波调压电路

　　3.2 恒流电路

　　通过一个集成运放OP07CP 进行输出，将输出电流采样反馈到输入端，从而使电流稳定，如图3 所示。

图3 恒流电路

　　3.3 TEC 驱动电路

　　热电致冷器（tec）是利用帕耳贴（peltier）效应进行制冷或加热的半导体器件。在tec 两端加上直流工作电压会使tec 的一端发热，另一端致冷；把tec 两端的电压反向则会导致相反的热流向。

　　常用的tec 温度控制电路大多采用分立元件搭建的pid电路，但分立电路需要进行参数整定，一般都是靠调试人员根据其经验确定参数值，也并不总是能达到控制要求，而且分立电路容易引入噪声，影响控制[6]。另外，由于目前半导体激光器内部通常集成了热敏电阻和tec，价格比较昂贵，若发生tec 过压、过流情况，容易把激光器烧坏，搭建温控系统时还需考虑到激光器的保护问题。因此，传统的温控系统很难完成半导体激光器的温度控制要求，而集成了控制电路与各种保护功能的专用芯片能够较好地完成温度控制的任务。

　　本系统采用MAX1968 为TEC 的驱动芯片，MAX1968 是MAXIM 公司推出的高度集成、高性价比和高效率开关型驱动器，适用于peltier 热电制冷器模块。它采用直接电流控制，消除了tec 中的浪涌电流。片内fet 在提供高效率的同时，尽可能地减少了外部元件。500 kHz/1 MHz 开关频率和独特的纹波消除电路减小了元件的尺寸和电源噪声。MAX1968 单电源工作，在芯片内部的两个同步降压稳压器输出引脚之间连接tec，能够提供±3 A 双极性输出。双极性工作能够实现无“死区”温度控制，以及避免了轻载电流时的非线性问题。该方案通过少许加热或制冷可避免控制系统在调整点非常接近环境工作点时的振荡。MAX1968 采用薄型28 引脚tssop-ep封装，工作于-40～85 ℃的温度范围。

　　按照芯片资料上的典型电路的设计，设计如下电路；该电路中，以OS1 与OS2 作为信号的输出端，CTL1 作为控制信号输入端，其基准电压为1.5 V，此时OS1 与OS2 等电压，TEC 不工作；当控制信号大于1.5 V，Vos1 大于Vos2，TEC 实现制冷功能；反之，当Vos1 小于Vos2 时，则实现制热功能。

　　3.4 TTL 控制电路

　　由于TTL 电路和TEC 电路同时控制恒流电路的导通和关闭，因此，将TTL 电路通过非门之后与TEC 警报进行或非，再经过一个非门输入到光电耦合器件4N25。光电耦合器件4N25主要起到隔离LD 电源部分电路与其他部分电路的地端，如果无此隔离，信号会产生相互影响，从而使电路不能正常工作。信号通过4N25 的射极输入到VMOS 管T092C 的基极以控制其导通或截止。VMOS 管的射极接到集成运放OP07CP 的输出端6 脚上（BU932RP 的基极），这样，当TEC 报警信号为低电平并且TTL 为高电平的时候，一个与非门的输出为高电平，使光电耦合器件4N25 导通，其射极输出为低电平，Q1（VMOS 管T092C）不导通相当于开路，使Q2（BU932RP）的基极为高电平，NPN 管导通，电路正常工作；当TEC 报警信号为高电平或TTL为低电平时，一个与非门的输出为低电平，使光电耦合器件的射极输出为高电平，这时Q1 导通，将Q2 基极的电位拉低，使其截止，电路不工作。如图4 所示。

图4 TTL 控制电路

　　3.5 比例电路的实现

　　其中α＝R10/R11，R10为一个50 kΩ 的电位器，R11为一个10 kΩ 的金属膜电阻，为了使R10的旋钮位于中间位置，取R10为20 kΩ，即α=2。而根据传感器电压与温度的特性，当传感器信号输入端为3 V 时，要使输出VO为1.5 V，代入公式计算得V＋为2.5 V，因此V＋用一个集成运放（LM358）与一个电位器连接起来输出一个2.5 V 的电压，电路如图5 所示。

图5 比例电路

　　3.6 比较电路与报警电路的实现

　　比较器由LM393AN 实现。根据设计要求，当温度超过155 ℃（对应的传感器输入为4 V，比例电路的输出为0.5 V）或者低于-55 ℃（对应传感器的输入为2.2 V，比例电路输出为2.5 V），输出一个高电平的报警信号。因此分别选择R6为10 kΩ，R7和R8为5 kΩ，组成一个分压电路对+5 V 进行分压，然后分别分给LM393AN 的2 和5 管脚，作为比较电压。

　　实现电路如图6 所示。

图6 报警电路

　　3.7 供电电源

　　主要设计了4 块供电模块电源：

　　块5 V4 A 的模块电源：主要给LD 的主电路（除与非门与或非门）供电。

　　第二块12 V 的模块电源：专门给LD 部分电路中的OP07CP 供电。

　　第三块12 V 的模块电源：给TEC 部分的主电路供电，包括芯片LM358，为了节省电源，用一个LM7805 将12 V 转变为5 V 给LM393，与非门和或非门供电。

　　第四块5 V 的模块电源：给芯片MAX1968 供电。

　　但通过计算可发现OP07CP 在本系统设计的电路中的工作功率很小，要求的电压5 V 已足够，从节省成本的方面考虑，可将专门对其供电的12 V 模块电源去掉。

　　4 结束语

　　本系统采用MAX1968 TEC 驱动芯片，大大减少了电路分立元件的数量，改进了系统噪声性能，增加了系统的可靠性，有效地对激光器的工作温度进行控制，电路的控制性能令人满意。该电源不仅高效、安全、可靠，而且提高了整个系统的智能化程度。电源设备可靠性的高低，不仅与电气设计、元器件、结构、装配、工艺、加工质量等方面有关，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电源的可靠性。