基于MAX1647的大功率激光电源的设计

2006-07-11 15:42:03来源: 电源技术应用

1 引言
  随着二极管泵浦全固态激光器相关技术的不断发展,它在工业、国防科研、生物医学工程等领域的应用越来越广泛,对其输出功率、可靠性要求也不断提高。作为二极管泵浦全固态激光器的重要组成部分的电源,其可靠性、稳定性也就显得格外重要。二极管泵浦全固态激光器的电源功率较大,输出为大电流、低电压,工作脉冲频率较高(可达1kHz),输出电流、电压的稳定性要求很高。微小的电流扰动将影响激光器的出光质量,不当的保护可能引起巨大的损失。针对这些特点,我们选择功能强大的电源管理芯片MAX1647作为整个系统控制的核心部分,设计出完全满足要求的大功率激光器电源。

2 MAX1647电源管理芯片介绍
  MAX1647是MAXIM公司的新型电源管理芯片,其内部结构如图1所示。它包括两个调整环,即一个电压调整环与一个电流调整环,实现恒流与恒压功能及相互之间的自动转换;并采用INTEL系统管理总线(SMBUS)接口,其中内部有一个6位和一个10位的D/A转换器分别用于电流和电压的预置;另外,MAX1647提供了最大为4A的电流输出。

  在MAX1647的电压调整环中,通过SMBUS总线,经内部10位DAC设置预置电压,负载电压与预置电压通过GMV误差放大器进行比较放大后的误差信号输出到CCV端口,然后送到一个由二选一电路组成的恒流/恒压自动转换电路的一个端子上,其中由CCV端口输出的误差信号由内部钳位电路限制在1/4到3/4参考电压之间的;与电压调整环工作原理相类似,被钳位的电流误差信号由CCI端口送到自动转换电路的另一个端子上;利用PWM控制器,把电压/电流误差信号转换为脉宽调制信号,用以驱动两个N沟道MOSFET管,经同步整流、滤波器滤波后,得到所需的输出信号。

  MAX1647的输出特性曲线如图2所示,当输出电压小于预置电压V0时,电流调整环发挥作用,输出是恒流模式;当负载的电压到达预置电压V0以后,电流调整环停止作用,电压调整环开始工作,这时输出为恒压模式。恒流模式时,CCV端口输出的电压误差信号被钳位在CCI端口最小电压值80mV以上,这样即可防止更新预置电流值时负载电流溢出,又可防止从恒流模式转换为恒压模式时,出现过冲电现象。在恒压模式时,钳位电路也可起到相类似的作用。

3 激光器电源的设计
  根据实际需要设计的激光器电源输出为60A/150V,恒流、恒压及相互之间能自动转换。

3.1 整体电路设计
  整体电路设计框图如图3所示。

  MAX1647电源管理芯片是整个系统的控制核心部分,它完成恒流、恒压及相互之间自动转换的功能。但MAX1647的最大输出4A,不足以达到设计要求,因此,把MAX1647的输出信号经由达林顿管组成的改进型线性主电路,进行电流、电压放大。在线性主电路中,由达林顿管、霍尔电流/电压传感器、MAX1647、及光耦隔离一起构成了电流主调环,保证恒流、恒压功能。同时增加了由达林顿管、误差电压放大、晶闸管控制模块、晶闸管降压整流构成的电压从调环,它把达林顿管压降与参考电压进行比较放大,以控制晶闸管触发模块,使达林顿管压降保持在参考电压附近,大大地降低了达林顿管上的功耗,使电源整体输出稳定性、效率等有显著的提高;利用单片机实现电源与机械传动部分、水冷系统部分以及计算机软件控制部分的有机结合;利用高性能的霍尔电流、电压传感器实现对输出电流、电压的实时检测;液晶显示模块实时显示输出电压、电流和有关状态;整个电路通过光耦和传感器实现隔离。

3.2 利用89C51对MAX1647进行设置
  89C51通过SMBUS的READ WORD和WRITE WORD协议与MAX1647进行双向通信,实现参数的设置。图4为SMBUS总线访问时序图。

  从图4可见:89C51与MAX1647通信的开始条件是SDA端口为下降沿,同时SCL端口为高电平;MAX1647的WRITE-WORD协议为0b00010010(0b表示二进制),或者可表示为0x12(0x表示十六进制);READ-WORD协议则可表示为0b00010011或者0x13。

  另外,CMD0~CMD7代表具体的命令,D0~D15表示数据位。几个常用的WRITE-WORD协议命令:ChargerMode()命令,命令代码为0x12,主要用于清零和复位;ChargingVolage()命令,命令代码为0x15,主要用于电压预置;ChargingCurrent()命令,主要用于电流预置,命令代码为0x14,即CMD7~CMD0的数据为00010100,16位二进制数值由D15~D0组成表示Io的电流值,单位为mA。当端子SEL与AGND短接时,电流Io的最大预置值为1.023A;如果让端子SEL悬空,则Io的最大预置值为2.047A;当端子SEL与VL短接,则Io的最大预置值为4.095A。MAX1647提供两个电流源给负载供电:一个来自内部的线性电流源IOUT,一个是开关电路提供的电流。IOUT提供1mA~31mA的电流(步长为1mA)。例如,当Io最大预置值为4.095A时,数据位D11~D6对应为6位电流预置DAC的DA5~DA0位;数据位D4~D0对应输出电流IOUT的I4~I0,表示IOUT线性电流源二进调整数。注意任何时候DAC位被置位,线性电流源被调整至满幅(31mA)。AlarmWarning()命令,命令代码为0x16,主要用于保护设置;ChargerStatus()命令,命令代码为0x13,主要用于返回温度传感器以及MAX1647的内部信息,这些信息暂存D15~D0位中。

  为了满足SMBUS的通信规则,用单片机P1口的其中两位分别模拟数据信号SDA和时钟信号SCL,89C51的P1.1口与MAX1647的SCL端子连接,P1.0口与MAX1647的SDA端子连接。电路如图5所示,其中:高频电感L1用粉末铁心,外加粗线线圈绕制而成。

4 实验结果
  利用该电路结构,开发9kW半导体激光二极管电源。选用的主要元器件如下:霍尔传感器选用北京莱姆公司生产的电压电流传感器,具有高灵敏度、优良的线性度、极快的响应速度;晶闸管触发模块采用山东威海生产的内部带光电隔离的SCR-JKSK,它的调整性能较好,同时为保证三相平衡,应采用每相单独调整;达林顿管选用东芝公司的MG75G2YL1A,在应用时注意其电流放大倍数小于20,故应保证驱动电路能提供满足需要的驱动电流。另外,为了判定故障原因,利用液晶显示模块实现显示电源状态。

  采用PM300仪器测试装置性能指标为:输入3相380V,输出0~160V,0.5~60A,恒压、恒流,并且相互之间能实现无扰自动转换,效率为88.5%。

5 结语
  利用MAX1647与89C51组成控制电路的核心部分,采用改进型线性结构设计的大功率激光器电源,由于MAX1647具有恒流、恒压及相互之间自动转换的功能,一方面,克服了完全用单片机控制带来的响应速度慢、恒流恒压特性差、可能出现死机的缺陷;另一方面,又避免了纯硬件控制带来的复杂性,提高了电源的智能性。在激光打标系统中的应用,证明了该电源不仅高效、安全、可靠,而且大大提高了整个系统的智能化程度。

关键字:电压  电流  预置  激光

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200607/4886.html
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