研發(fā)實驗室丨提高溫控激光電源穩(wěn)定性的研究
作者：武漢松爾德科技????? 發(fā)布日期：2019-01-09?
溫控激光錫焊設(shè)備對激光器電源設(shè)計至關(guān)重要，由于激光器輸出光功率受其激射電流的影響，為了保證其穩(wěn)定的光功率輸出，研制了基于位移式數(shù)字PID 算法的高穩(wěn)定性激光器驅(qū)動電源。在硬件設(shè)計方面，該驅(qū)動電源主要由控制器模塊、恒流源模塊和保護電路模塊組成。采用模擬PI 深度負(fù)反饋環(huán)節(jié)有效地提高了驅(qū)動電流的穩(wěn)定性。在軟件方面，采用位置式數(shù)字PID 算法，消除了實際驅(qū)動電流值與理論值之間的微小差異。利用該驅(qū)動電源，對中心波長為940.01 nm 的激光器做了驅(qū)動測試。實驗表明，長期穩(wěn)定性(>220 h)優(yōu)于4×10-5，中心波長未出現(xiàn)漂移，為其在紅外氣體檢測中提供了優(yōu)越性能保障。
激光器的譜帶范圍覆蓋大部分紅外氣體吸收指紋區(qū)，使得它在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通常，激光器的驅(qū)動模式分為以下兩種：(1) 恒流驅(qū)動模式。在該模式下工作時，激光器的驅(qū)動電流維持不變。(2) 恒光功率驅(qū)動模式。在該模式下工作時，激光器的驅(qū)動電路對激光二極管(LD)的平均光功率進行深度閉環(huán)負(fù)反饋控制。由激光器的激射電流不僅影響了其輸出光功率的穩(wěn)定性，造成其發(fā)光波長的波動， 而且降低其使用壽命。因此， 在近紅外氣體檢測領(lǐng)域中， 研制高穩(wěn)定性激光器驅(qū)動電源是十分必要的。目前，在商品化應(yīng)用方面，許多國外的公司、高等院校及研究所都開展對激光器驅(qū)動電源的研究工作。盡管生產(chǎn)激光器的廠商有很多，但以上驅(qū)動電源長期穩(wěn)定性(>220 h)優(yōu)于1×10-4?？紤]到上述產(chǎn)品的穩(wěn)定性均不高的現(xiàn)狀， 結(jié)合實際項目指標(biāo)的需求， 自主設(shè)計并研制了數(shù)字PID 算法的高穩(wěn)定性溫控激光器驅(qū)動電源。該驅(qū)動電源在硬件上采用模擬PI 深度負(fù)反饋環(huán)節(jié)，同時結(jié)合軟件位置式數(shù)字PID 算法構(gòu)成雙閉環(huán)反饋控制方法，有效地提高了驅(qū)動電流的穩(wěn)定性。實驗表明，該驅(qū)動電源長期穩(wěn)定性(>220 h) 優(yōu)于4×10-5， 具有良好的實用價值。
高穩(wěn)定激光器驅(qū)動電源系統(tǒng)主要由控制器模塊、恒流源模塊和保護電路模塊組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。采用32 位定點型處理器作為嵌入式控制器； 芯片內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生高速高精度的模擬信號。恒流源模塊的驅(qū)動原理是根據(jù)MOSFET 的柵極控制電壓VGS與MOSFET 的導(dǎo)通電流ID 之間的關(guān)系來調(diào)節(jié)驅(qū)動激光器的電流。保護電路模塊分別對驅(qū)動電流進行過載保護， 電源電壓波動進行瞬態(tài)抑制、消除電路的靜電干擾。因此， 保護電路能夠使激光器工作于更復(fù)雜的電磁環(huán)境中， 大大延長其使用壽命。
恒流源模塊是在恒定輸入電平下， 輸出恒定電流，恒定電流大小完全由輸入脈沖電壓幅值調(diào)節(jié)。
恒流源模塊采用模擬PI 深度線性負(fù)反饋原理，通過取樣電阻R5對流過激光器的驅(qū)動電流進行采樣，將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。實際中，根據(jù)激光器驅(qū)動電流參數(shù)需要， 對系統(tǒng)的響應(yīng)速度和信號穩(wěn)定精確度進行折中處理， 最終選擇需要的參數(shù)來達到激光器驅(qū)動的性能指標(biāo)。
在延時軟啟動電路方面， 對經(jīng)典π 型網(wǎng)絡(luò)進行了改進，借助NPN 型達林頓晶體管的大電流來間接提高電容的等效容值，使它產(chǎn)生大電容的效果，如果達林頓管的電流放大倍數(shù)為k，則在基極與地電位之間接入的電容C2就等效于在源極與地之間接入了容值為(1+k)C2的大電容。此外，該電路還可以實現(xiàn)DFB 激光器驅(qū)動的慢啟動與慢關(guān)閉，具體的工作方式為：電源接通瞬間，Q1截止，它的初始射極輸出電流為零， 外部電流通過接在達林頓管基極與集電極之間的電阻給電容C2充電，它的基極電位開始緩緩上升， 當(dāng)超過截止電壓后，Q1的工作狀態(tài)由截止變?yōu)榉糯螅?它的發(fā)射極電流由初始狀態(tài)一直變大直至飽和，同時三極管Q2基極電位也開始增大，最終Q2導(dǎo)通，濾波電路的輸出電壓等于它的輸入電壓。當(dāng)電源斷開時，變化過程同理。這樣，激光器的開啟與關(guān)閉都能躲過上電與斷電瞬間的電網(wǎng)浪涌沖擊，具體的延遲時間與電阻R 的取值有關(guān)。
在實際使用過程中，存在大量靜電，如果處理不當(dāng)，靜電就會損傷激光器。文中系統(tǒng)在激光器兩端并聯(lián)瞬態(tài)抑制器(TVS)，構(gòu)成靜電通路，避免靜電損壞激光器。
數(shù)字形式的PID 算法是將連續(xù)模擬的PID 算法在時間上等間隔T 采樣，進行數(shù)字離散化。相鄰兩點采樣之和作為積分項，之差作為差分項，數(shù)字形式的PID 表達式如下：
式中：T 為采樣間隔；TI為積分項參數(shù)；TD為微分項參數(shù)；e(i)為系統(tǒng)第i 次采樣的偏差值。實際中， 對于復(fù)雜的系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型跟真實系統(tǒng)存在很大的差異， 所以工程中通常采用臨界比例帶法， 即不需要建立目標(biāo)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的前提下， 利用經(jīng)驗公式， 實現(xiàn)對P、I 和D 三個參數(shù)進行整定。整定經(jīng)驗公式如表1 所示。
表1 經(jīng)驗公式
臨界比例帶法具體實現(xiàn)過程如下：
(1) 初始化系統(tǒng)，使積分項和差分項為零，只存在比例環(huán)節(jié)。
(2) 調(diào)節(jié)比例系數(shù)P， 待系統(tǒng)輸出響應(yīng)等幅震蕩。此時，比例系數(shù)P 記為即臨界比例帶δpr，震蕩周期記為Tpr，如圖所示。
(3) 利用表1 中所示的經(jīng)驗公式，計算各個參數(shù)。在激光器的驅(qū)動實驗中，系統(tǒng)采用位移式數(shù)字PID 算法， 消除了實際驅(qū)動電流值與理論值之間的微小差異，其軟件流程圖如圖 所示。
在激光器驅(qū)動電源上電之后，核心控制器首先完成系統(tǒng)各組成模塊的初始化工作， 設(shè)置驅(qū)動電流， 并完成對DAC 輸出電壓的控制，驅(qū)動恒流源模塊。同時，系統(tǒng)實時顯示并監(jiān)測驅(qū)動電流，一旦沒有達到預(yù)設(shè)電流值，系統(tǒng)將采用位移式數(shù)字PID 算法，對誤差電流信號進行計算，輸出控制信號， 改變DAC 輸出電壓， 進而調(diào)節(jié)驅(qū)動電流的大小，最終使驅(qū)動激光器的電流穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。利用該激光器驅(qū)動電源， 對中心波長為940.01 nm 的激光器做了驅(qū)動測試。
在進行系統(tǒng)性能測試過程中， 為了消除電磁干擾，采用鋁制屏蔽盒將外部環(huán)境與系統(tǒng)隔離。激光器上電后，首先對其驅(qū)動電流的線性度進行測量。將激光器的工作溫度控制在25 ℃， 采用所研制的驅(qū)動電源，通過設(shè)置不同的控制電壓，觀測反饋通道的電壓變換情況，最終換算成電流變化。其測試結(jié)果如圖6 所示。
結(jié)果顯示，系統(tǒng)輸出電流差值峰值為0.086 3 mA，線性度達到99.87%。
實驗中， 進一步對所研制的驅(qū)動電源輸出電流的穩(wěn)定度進行了實驗，結(jié)果如圖7 所示。
實驗中， 預(yù)設(shè)驅(qū)動電流為100 mA， 長期測試(>220 h)結(jié)果平均值為100.mA，與均值相差最大電流為0.000 44 mA， 輸出電流的穩(wěn)定度好于4×10-5A。
實驗中采用中心波長為940.01nm 的激光器為驅(qū)動對象，根據(jù)器件的技術(shù)手冊，激光器激光發(fā)生的中心譜線的波長為940.01 nm。在驅(qū)動性能實驗中，采用THERMO4700 型傅里葉紅外光譜儀測量的激光器中心譜線如圖 所示。
圖為使用中紅外傅里葉光譜儀測得的激光器的發(fā)射譜線， 其發(fā)光光譜為波數(shù)為940.01 nm，實驗中通過調(diào)節(jié)器工作溫度與驅(qū)動電流來實驗對其發(fā)射波長的控制，可以與氣體吸收峰匹配得更好。
在近紅外氣體檢測領(lǐng)域中，針對激光器驅(qū)動電源高穩(wěn)定性需求，文中介紹了采用模擬PI 深度負(fù)反饋環(huán)節(jié)和位置式數(shù)字PID 算法相結(jié)合，構(gòu)成雙閉環(huán)反饋控制方法， 設(shè)計并研制了一種高穩(wěn)定性激光器驅(qū)動電源。此外，該驅(qū)動電源具備防上電/斷電沖擊保護電路、延時軟啟動電路和過流保護電路等保護電路，保證了激光器長期穩(wěn)定的工作。同時，利用該驅(qū)動電源， 對激光器做了驅(qū)動測試。結(jié)果顯示，其驅(qū)動電流線性度為99.97%，穩(wěn)定度為4×10-5A，滿足實際指標(biāo)的需求。
作者：戰(zhàn)俊彤，博士生，主要從事光電測控方面的研究。
論證實驗：聶小軍，碩士研究生，主要從事模數(shù)混合集成電路方面的研究。
恒流源模塊采用模擬PI 深度線性負(fù)反饋原理，通過取樣電阻R5對流過激光器的驅(qū)動電流進行采樣，將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。實際中，根據(jù)激光器驅(qū)動電流參數(shù)需要， 對系統(tǒng)的響應(yīng)速度和信號穩(wěn)定精確度進行折中處理， 最終選擇需要的參數(shù)來達到激光器驅(qū)動的性能指標(biāo)。
在延時軟啟動電路方面， 對經(jīng)典π 型網(wǎng)絡(luò)進行了改進，借助NPN 型達林頓晶體管的大電流來間接提高電容的等效容值，使它產(chǎn)生大電容的效果，如果達林頓管的電流放大倍數(shù)為k，則在基極與地電位之間接入的電容C2就等效于在源極與地之間接入了容值為(1+k)C2的大電容。此外，該電路還可以實現(xiàn)DFB 激光器驅(qū)動的慢啟動與慢關(guān)閉，具體的工作方式為：電源接通瞬間，Q1截止，它的初始射極輸出電流為零， 外部電流通過接在達林頓管基極與集電極之間的電阻給電容C2充電，它的基極電位開始緩緩上升， 當(dāng)超過截止電壓后，Q1的工作狀態(tài)由截止變?yōu)榉糯螅?它的發(fā)射極電流由初始狀態(tài)一直變大直至飽和，同時三極管Q2基極電位也開始增大，最終Q2導(dǎo)通，濾波電路的輸出電壓等于它的輸入電壓。當(dāng)電源斷開時，變化過程同理。這樣，激光器的開啟與關(guān)閉都能躲過上電與斷電瞬間的電網(wǎng)浪涌沖擊，具體的延遲時間與電阻R 的取值有關(guān)。
數(shù)字形式的PID 算法是將連續(xù)模擬的PID 算法在時間上等間隔T 采樣，進行數(shù)字離散化。相鄰兩點采樣之和作為積分項，之差作為差分項，數(shù)字形式的PID 表達式如下：
表1 經(jīng)驗公式
(1) 初始化系統(tǒng)，使積分項和差分項為零，只存在比例環(huán)節(jié)。
(2) 調(diào)節(jié)比例系數(shù)P， 待系統(tǒng)輸出響應(yīng)等幅震蕩。此時，比例系數(shù)P 記為即臨界比例帶δpr，震蕩周期記為Tpr，如圖所示。
在進行系統(tǒng)性能測試過程中， 為了消除電磁干擾，采用鋁制屏蔽盒將外部環(huán)境與系統(tǒng)隔離。激光器上電后，首先對其驅(qū)動電流的線性度進行測量。將激光器的工作溫度控制在25 ℃， 采用所研制的驅(qū)動電源，通過設(shè)置不同的控制電壓，觀測反饋通道的電壓變換情況，最終換算成電流變化。其測試結(jié)果如圖6 所示。
實驗中， 進一步對所研制的驅(qū)動電源輸出電流的穩(wěn)定度進行了實驗，結(jié)果如圖7 所示。
實驗中采用中心波長為940.01nm 的激光器為驅(qū)動對象，根據(jù)器件的技術(shù)手冊，激光器激光發(fā)生的中心譜線的波長為940.01 nm。在驅(qū)動性能實驗中，采用THERMO4700 型傅里葉紅外光譜儀測量的激光器中心譜線如圖 所示。
在近紅外氣體檢測領(lǐng)域中，針對激光器驅(qū)動電源高穩(wěn)定性需求，文中介紹了采用模擬PI 深度負(fù)反饋環(huán)節(jié)和位置式數(shù)字PID 算法相結(jié)合，構(gòu)成雙閉環(huán)反饋控制方法， 設(shè)計并研制了一種高穩(wěn)定性激光器驅(qū)動電源。此外，該驅(qū)動電源具備防上電/斷電沖擊保護電路、延時軟啟動電路和過流保護電路等保護電路，保證了激光器長期穩(wěn)定的工作。同時，利用該驅(qū)動電源， 對激光器做了驅(qū)動測試。結(jié)果顯示，其驅(qū)動電流線性度為99.97%，穩(wěn)定度為4×10-5A，滿足實際指標(biāo)的需求。
作者：戰(zhàn)俊彤，博士生，主要從事光電測控方面的研究。
論證實驗：聶小軍，碩士研究生，主要從事模數(shù)混合集成電路方面的研究。
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