基于MAX1968的半導(dǎo)體激光電源設(shè)計(jì) - 全文

半導(dǎo)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(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在通訊、醫(yī)療和測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與改進(jìn)就顯得尤為重要。最初的半導(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(jiǎn)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(lái)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(wèn)題質(zhì)量問(wèn)題造成的失效與電應(yīng)力無(wú)關(guān)。

　　質(zhì)量不合格的可以通過(guò)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(méi)有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的產(chǎn)品。

　　2）元器件可靠性問(wèn)題元器件可靠性問(wèn)題即基本失效率的問(wèn)題，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問(wèn)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(cè)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(cè)試，剔除不合格品。接插件按技術(shù)條件抽樣檢測(cè)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(cè)→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測(cè)試→低溫測(cè)試→常溫測(cè)試。

　　3）設(shè)計(jì)問(wèn)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(kāi)關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過(guò)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(wèn)題損耗引起的元器件失效取決于工作時(shí)間的長(zhǎng)短，與工作應(yīng)力無(wú)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(guò)壓、欠壓、過(guò)載、短路、過(guò)熱等保護(hù)電路。對(duì)于激光電源而言，主要是抑制干擾源。干擾源集中在開(kāi)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(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管； 脈沖電流流過(guò)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(kāi)，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(guò)長(zhǎng)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)備可靠性最重要的因素。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(guò)一定值時(shí)，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，溫度超過(guò)極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效。國(guó)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(duì)流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括采用散熱器、風(fēng)冷（自然對(duì)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(duì)于電源而言， 安全性歷來(lái)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(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(duì)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)，其最高溫度不應(yīng)超過(guò)60 ℃，面板和手動(dòng)調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過(guò)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。

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圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

　　2.2 框圖說(shuō)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(guò)電容接地濾除干擾，使輸入波形完整。同時(shí)通過(guò)電位器調(diào)節(jié)集成運(yùn)放的輸入電壓。

　　恒流電路：通過(guò)電流反饋將輸出電流穩(wěn)定在3.3 A。

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

　　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(hào)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（1.2～2.5 V 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(hào)。

　　TEC 驅(qū)動(dòng)：根據(jù)比例調(diào)節(jié)電路輸出的電壓來(lái)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(lái)對(duì)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(hào)，通過(guò)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220 V 交流電通過(guò)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(hào)輸入的情況下，通過(guò)TTL 信號(hào)以及光電耦合器件來(lái)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(hào)同頻率的峰值為2V 3.3 A 的脈沖輸出。

　　電路正常工作時(shí)，傳感器對(duì)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(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2.5 V 時(shí)， 輸出一個(gè)高電平信號(hào)作為警報(bào)信號(hào)，同時(shí)此信號(hào)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)470 μF 的電解電容和2 個(gè)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(gè)100 kΩ 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。

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圖2 濾波調(diào)壓電路

　　3.2 恒流電路

　　通過(guò)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。

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圖3 恒流電路

　　3.3 TEC 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(guò)壓、過(guò)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(wèn)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精確溫度控制的任務(wù)。

　　本系統(tǒng)采用MAX1968 為T(mén)EC 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(kāi)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。500 kHz/1 MHz 開(kāi)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±3 A 雙極性輸出。雙極性工作能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)“死區(qū)”溫度控制，以及避免了輕載電流時(shí)的非線性問(wèn)題。該方案通過(guò)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(hào)的輸出端，CTL1 作為控制信號(hào)輸入端， 其基準(zhǔn)電壓為1.5 V， 此時(shí)OS1 與OS2 等電壓，TEC 不工作；當(dāng)控制信號(hào)大于1.5 V，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。

　　3.4 TTL 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(guò)非門(mén)之后與TEC 警報(bào)進(jìn)行或非，再經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)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(wú)此隔離，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相互影響，從而使電路不能正常工作。信號(hào)通過(guò)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(hào)為低電平并且TTL 為高電平的時(shí)候， 最后一個(gè)與非門(mén)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(kāi)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(hào)為高電平或TTL為低電平時(shí)，最后一個(gè)與非門(mén)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。

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圖4 TTL 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)50 kΩ 的電位器，R11為一個(gè)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(dāng)傳感器信號(hào)輸入端為3 V 時(shí)，要使輸出VO為1.5 V，代入公式計(jì)算得V＋為2.5 V，因此V＋用一個(gè)集成運(yùn)放（LM358）與一個(gè)電位器連接起來(lái)輸出一個(gè)2.5 V 的電壓，電路如圖5 所示。

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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(guò)155 ℃（對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)傳感器的輸入為2.2 V， 比例電路輸出為2.5 V），輸出一個(gè)高電平的報(bào)警信號(hào)。因此分別選擇R6為10 kΩ，R7和R8為5 kΩ， 組成一個(gè)分壓電路對(duì)+5 V 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。

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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：

　　第一塊5 V4 A 的模塊電源：主要給LD 的主電路（除與非門(mén)與或非門(mén)）供電。

　　第二塊12 V 的模塊電源： 專門(mén)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(gè)LM7805 將12 V 轉(zhuǎn)變?yōu)? V 給LM393，與非門(mén)和或非門(mén)供電。

　　第四塊5 V 的模塊電源：給芯片MAX1968 供電。

　　但通過(guò)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5 V 已足夠，從節(jié)省成本的方面考慮，可將專門(mén)對(duì)其供電的12 V 模塊電源去掉。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)采用MAX1968 TEC 驅(qū)動(dòng)芯片， 大大減少了電路分立元件的數(shù)量，改進(jìn)了系統(tǒng)噪聲性能，增加了系統(tǒng)的可靠性，有效地對(duì)激光器的工作溫度進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的智能化程度。電源設(shè)備可靠性的高低，不僅與電氣設(shè)計(jì)、元器件、結(jié)構(gòu)、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關(guān)，在實(shí)際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過(guò)各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來(lái)完善設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高電源的可靠性。

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