| 基于MAX1647的大功率激光電源的設(shè)計(jì) 龍興明1,周靜2 (1重慶師范學(xué)院物理系,四川重慶400047）
(2重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川重慶400047） 摘要：針對(duì)大功率全固態(tài)激光電源的特點(diǎn),利用MAX1647電源管理芯片的恒流、恒壓及相互之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能,設(shè)計(jì)了輸出為60A/160V的大功率激光器電源。利用單片機(jī)89C51對(duì)MAX1647進(jìn)行高效管理,并采用改進(jìn)型線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),大大提高了激光器電源的效率及穩(wěn)定性。在激光打標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用,證明了該電源不僅高效、安全、可靠,而且大大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度。
關(guān)鍵詞：激光電源;單片機(jī);恒流;恒壓 1引言
隨著二極管泵浦全固態(tài)激光器相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,它在工業(yè)、國(guó)防科研、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,對(duì)其輸出功率、可靠性要求也不斷提高。作為二極管泵浦全固態(tài)激光器的重要組成部分的電源,其可靠性、穩(wěn)定性也就顯得格外重要。二極管泵浦全固態(tài)激光器的電源功率較大,輸出為大電流、低電壓,工作脈沖頻率較高（可達(dá)1kHz）,輸出電流、電壓的穩(wěn)定性要求很高。微小的電流擾動(dòng)將影響激光器的出光質(zhì)量,不當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)可能引起巨大的損失。針對(duì)這些特點(diǎn),我們選擇功能強(qiáng)大的電源管理芯片MAX1647作為整個(gè)系統(tǒng)控制的核心部分,設(shè)計(jì)出完全滿足要求的大功率激光器電源。
2MAX1647電源管理芯片介紹
MAX1647是MAXIM公司的新型電源管理芯片,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括兩個(gè)調(diào)整環(huán),即一個(gè)電壓調(diào)整環(huán)與一個(gè)電流調(diào)整環(huán),實(shí)現(xiàn)恒流與恒壓功能及相互之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換;并采用INTEL系統(tǒng)管理總線（SMBUS）接口,其中內(nèi)部有一個(gè)6位和一個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器分別用于電流和電壓的預(yù)置;另外,MAX1647提供了最大為4A的電流輸出。 
在MAX1647的電壓調(diào)整環(huán)中,通過(guò)SMBUS總線,經(jīng)內(nèi)部10位DAC設(shè)置預(yù)置電壓,負(fù)載電壓與預(yù)置電壓通過(guò)GMV誤差放大器進(jìn)行比較放大后的誤差信號(hào)輸出到CCV端口,然后送到一個(gè)由二選一電路組成的恒流/恒壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的一個(gè)端子上,其中由CCV端口輸出的誤差信號(hào)由內(nèi)部鉗位電路限制在1/4到3/4參考電壓之間的;與電壓調(diào)整環(huán)工作原理相類(lèi)似,被鉗位的電流誤差信號(hào)由CCI端口送到自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的另一個(gè)端子上;利用PWM控制器,把電壓/電流誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號(hào),用以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)N溝道MOSFET管,經(jīng)同步整流、濾波器濾波后,得到所需的輸出信號(hào)。
MAX1647的輸出特性曲線如圖2所示,當(dāng)輸出電壓小于預(yù)置電壓V0時(shí),電流調(diào)整環(huán)發(fā)揮作用,輸出是恒流模式;當(dāng)負(fù)載的電壓到達(dá)預(yù)置電壓V0以后,電流調(diào)整環(huán)停止作用,電壓調(diào)整環(huán)開(kāi)始工作,這時(shí)輸出為恒壓模式。恒流模式時(shí),CCV端口輸出的電壓誤差信號(hào)被鉗位在CCI端口最小電壓值80mV以上,這樣即可防止更新預(yù)置電流值時(shí)負(fù)載電流溢出,又可防止從恒流模式轉(zhuǎn)換為恒壓模式時(shí),出現(xiàn)過(guò)沖電現(xiàn)象。在恒壓模式時(shí),鉗位電路也可起到相類(lèi)似的作用。
3激光器電源的設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)的激光器電源輸出為60A/150V,恒流、恒壓及相互之間能自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
3.1整體電路設(shè)計(jì)
整體電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。
MAX1647電源管理芯片是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心部分,它完成恒流、恒壓及相互之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能。但MAX1647的最大輸出4A,不足以達(dá)到設(shè)計(jì)要求,因此,把MAX1647的輸出信號(hào)經(jīng)由達(dá)林頓管組成的改進(jìn)型線性主電路,進(jìn)行電流、電壓放大。在線性主電路中,由達(dá)林頓管、霍爾電流/電壓傳感器、MAX1647、及光耦隔離一起構(gòu)成了電流主調(diào)環(huán),保證恒流、恒壓功能。同時(shí)增加了由達(dá)林頓管、誤差電壓放大、晶閘管控制模塊、晶閘管降壓整流構(gòu)成的電壓從調(diào)環(huán),它把達(dá)林頓管壓降與參考電壓進(jìn)行比較放大,以控制晶閘管觸發(fā)模塊,使達(dá)林頓管壓降保持在參考電壓附近,大大地降低了達(dá)林頓管上的功耗,使電源整體輸出穩(wěn)定性、效率等有顯著的提高;利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電源與機(jī)械傳動(dòng)部分、水冷系統(tǒng)部分以及計(jì)算機(jī)軟件控制部分的有機(jī)結(jié)合;利用高性能的霍爾電流、電壓傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流、電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè);液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流和有關(guān)狀態(tài);整個(gè)電路通過(guò)光耦和傳感器實(shí)現(xiàn)隔離。
3.2利用89C51對(duì)MAX1647進(jìn)行設(shè)置
89C51通過(guò)SMBUS的READWORD和WRITEWORD協(xié)議與MAX1647進(jìn)行雙向通信,實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置。圖4為SMBUS總線訪問(wèn)時(shí)序圖。
從圖4可見(jiàn)：89C51與MAX1647通信的開(kāi)始條件是SDA端口為下降沿,同時(shí)SCL端口為高電平;MAX1647的WRITE－WORD協(xié)議為0b00010010（0b表示二進(jìn)制）,或者可表示為0x12（0x表示十六進(jìn)制）;READ－WORD協(xié)議則可表示為0b00010011或者0x13。另外,CMD0～CMD7代表具體的命令,D0～D15表示數(shù)據(jù)位。幾個(gè)常用的WRITE－WORD協(xié)議命令：ChargerMode()命令,命令代碼為0x12,主要用于清零和復(fù)位;ChargingVolage()命令,命令代碼為0x15,主要用于電壓預(yù)置;ChargingCurrent()命令,主要用于電流預(yù)置,命令代碼為0x14,即CMD7～CMD0的數(shù)據(jù)為00010100,16位二進(jìn)制數(shù)值由D15～D0組成表示Io的電流值,單位為mA。當(dāng)端子SEL與AGND短接時(shí),電流Io的最大預(yù)置值為1.023A;如果讓端子SEL懸空,則Io的最大預(yù)置值為2.047A;當(dāng)端子SEL與VL短接,則Io的最大預(yù)置值為4.095A。MAX1647提供兩個(gè)電流源給負(fù)載供電：一個(gè)來(lái)自內(nèi)部的線性電流源IOUT,一個(gè)是開(kāi)關(guān)電路提供的電流。IOUT提供1mA～31mA的電流（步長(zhǎng)為1mA）。例如,當(dāng)Io最大預(yù)置值為4.095A時(shí),數(shù)據(jù)位D11～D6對(duì)應(yīng)為6位電流預(yù)置DAC的DA5～DA0位;數(shù)據(jù)位D4～D0對(duì)應(yīng)輸出電流IOUT的I4～I(xiàn)0,表示IOUT線性電流源二進(jìn)調(diào)整數(shù)。注意任何時(shí)候DAC位被置位,線性電流源被調(diào)整至滿幅（31mA）。AlarmWarning()命令,命令代碼為0x16,主要用于保護(hù)設(shè)置;ChargerStatus()命令,命令代碼為0x13,主要用于返回溫度傳感器以及MAX1647的內(nèi)部信息,這些信息暫存D15～D0位中。
為了滿足SMBUS的通信規(guī)則,用單片機(jī)P1口的其中兩位分別模擬數(shù)據(jù)信號(hào)SDA和時(shí)鐘信號(hào)SCL,89C51的P1.1口與MAX1647的SCL端子連接,P1.0口與MAX1647的SDA端子連接。電路如圖5所示,其中：高頻電感L1用粉末鐵心,外加粗線線圈繞制而成。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
利用該電路結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)9kW半導(dǎo)體激光二極管電源。選用的主要元器件如下：霍爾傳感器選用北京萊姆公司生產(chǎn)的電壓電流傳感器,具有高靈敏度、優(yōu)良的線性度、極快的響應(yīng)速度;晶閘管觸發(fā)模塊采用山東威海生產(chǎn)的內(nèi)部帶光電隔離的SCR－JKSK,它的調(diào)整性能較好,同時(shí)為保證三相平衡,應(yīng)采用每相單獨(dú)調(diào)整;達(dá)林頓管選用東芝公司的MG75G2YL1A,在應(yīng)用時(shí)注意其電流放大倍數(shù)小于20,故應(yīng)保證驅(qū)動(dòng)電路能提供滿足需要的驅(qū)動(dòng)電流。另外,為了判定故障原因,利用液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)顯示電源狀態(tài)。
采用PM300儀器測(cè)試裝置性能指標(biāo)為：輸入3相380V,輸出0～160V,0.5～60A,恒壓、恒流,并且相互之間能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾自動(dòng)轉(zhuǎn)換,效率為88.5％。
5結(jié)語(yǔ)
利用MAX1647與89C51組成控制電路的核心部分,采用改進(jìn)型線性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大功率激光器電源,由于MAX1647具有恒流、恒壓及相互之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能,一方面,克服了完全用單片機(jī)控制帶來(lái)的響應(yīng)速度慢、恒流恒壓特性差、可能出現(xiàn)死機(jī)的缺陷;另一方面,又避免了純硬件控制帶來(lái)的復(fù)雜性,提高了電源的智能性。在激光打標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用,證明了該電源不僅高效、安全、可靠,而且大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度。
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