用于近红外气体检测的高稳定性DFB激光器驱动电源设计*

2017-04-25李亚萍

电子器件 2017年2期

关键词：驱动电流压控恒流源

王昆,李明,李亚萍

(1.河南职业技术学院电气工程系,郑州 450046;2.华北水利水电大学信息工程学院,郑州 450045)

用于近红外气体检测的高稳定性DFB激光器驱动电源设计*

王昆1*,李明1,李亚萍2

(1.河南职业技术学院电气工程系,郑州 450046;2.华北水利水电大学信息工程学院,郑州 450045)

以TMS320LF28335数字信号处理芯片为核心控制器,开发出用于近红外气体检测的高稳定性DFB激光器驱动电源。在硬件电路设计方面,采用双重电压反馈控制方案,实现微小电流误差和高稳定电流输出。同时具有慢启动、过流保护和静电保护功能。在软件设计方面,引入数字PID控制算法,进一步消除了驱动电流误差。实验采用激射波长为1.742 μm的DFB激光器作为被驱动对象,DFB激光器驱动电源输出线性度优于99.97%,长期稳定度为4×10-5,具有很强的实用价值。

反馈式激光器;Ziegler-Nichols PID算法;驱动电源;红外气体检测

由于非对称分子在近红外谱段有很强的吸收特性,具有“指纹”特性。利用在某一特定红外波长的气体吸收光强可以对气体浓度进行检测[1-3]。DFB激光器工作温度恒定时,其发光光强与激射电流成正比[4-5]。由于DFB激光器需要通过注入载电流来工作,而其抗击电流冲击的能力却不强。一方面,如果注入的载电流过大,就会将DFB激光器瞬间烧毁;另一方面,如果注入的载电流不稳定,也会造成DFB激光器工作不稳定,严重的甚至会破坏其内部电子元件,影响其使用寿命[6-8]。考虑到商用级DFB激光器驱动电源的稳定性均不高的问题,结合实际项目指标的需求,引入双重电压反馈控制和数字式Ziegler-Nichols PID算法,设计的高稳定性DFB激光器驱动电源输出线性度优于99.97%,长期稳定度为4×10-5。

1 驱动电源硬件系统设计

硬件系统由压控恒流源模块,控制器模块,保护电路模块及电源供电管理模块组成,如图1所示。

控制器模块采用TMS320LF28335数字信号处理芯片。压控恒流源模块采用模拟反馈和数字反馈的方式构成双闭环反馈,进一步增加驱动电流的稳定性。其中,模拟反馈采用线性深度负反馈,增加系统的线性度和稳定度。并且驱动电源包括慢启动电、过流保护和静电保护电路,能够有效避免异常电流/电荷对DFB激光器的正常工作造成影响,从而保护DFB激光器。

图1 系统组成框图

1.1 压控恒流源模块

压控恒流源模块采用双重反馈控制方案,实现微小的电流误差和高稳定的电流输出,如图2所示。在标号为Ⅰ的反馈环中,由于场效应管的漏源极电流受栅源极电压控制,以集成运算放大器UA为核心构成闭环系统,根据其同相端电位与反相端电位相等的原则,通过控制加在其正输入端的电压控制稳定电流的输出[9]。

图2 压控恒流源模块

同时,为了使驱动电流稳定性进一步提高,采用标号为Ⅱ的反馈环路,通过反馈环节将电压模拟量转换为数字量,与电流的预设量进行比对,利用Ziegler-Nichols PID算法对集成运算放大器UA同相输入端的电压进行调整,从而大大提高了驱动电流的稳定性。

标号为Ⅰ的反馈电路的设计关键是注意不要产生自激振荡现象使该电路不稳定。过大的电容值会使系统建立动态平衡的时间变长,而取值过小又达不到消除自激振荡的目的,需要反复实验进行取舍[10]。其中,压控恒流源模块中,DAC型号为LTC1655,ADC型号为LTC1864,两者分辨率均为16位。

1.2 保护电路模块

在延时软启动电路方面,对经典π型网络进行了改进,借助NPN型达林顿晶体管的大电流来间接提高电容的等效容值,使它产生大电容的效果,如图3所示。

图3 延时软启动电路

如果达林顿管的电流放大倍数为k,则在基极与地电位之间接入的电容C2就等效于在源极与地之间接入了容值为(1+k)C2的大电容。电源接通瞬间,Q1截止,它的初始射极输出电流为零,外部电流通过接在达林顿管基极与集电极之间的电阻给电容C2充电,它的基极电位开始缓缓上升,当超过截止电压后,Q1和Q2的工作状态由截止变为放大,发射极电流由初始状态一直变大直至饱和。这样激光器的开启与关闭都能躲过上电与断电瞬间的电网浪涌冲击,具体的延迟时间与电阻R的取值有关。同时,驱动电源还包括过流保护电路,可以实时地监控流过DFB激光器的电流,当驱动电流超过阈值时,可以切断驱动支路,保护DFB激光器。由于实际环境中存在静电,在实验中如操作不当会损坏DFB激光器。驱动电源还包括静电保护电路,将瞬态抑制二极管与DFB激光器反向并联,组成静电通路,对DFB激光器进行静电保护。

2 Ziegler-Nichols PID算法

2.1 数字PID算法

由于传统模拟PID控制参数一旦固定后就很难调整,给实际应用带来很大不便。随着集成芯片技术的发展,数字信号处理芯片大量涌现,成为数字PID核心控制器[11-12]。数字PID就是对模拟PID在时间轴上离散化后进行误差量化,然后计算出比例项、积分项和差分项,如式(1)所示:

u(k)=

(1)

式中:e(i)为第i次采样时,系统输出的偏差值,T为系统采样间隔时间,TI为积分周期,TD为微分周期。

2.2 Ziegler-Nichols工程整定方法

对于复杂的控制系统,建立的数学模型很难真实的表达对应系统,甚至存在很大差异。可以把被控系统看作成黑匣子[13],根据被控系统的输出情况,确定最优控制参数P、I和D。此方法已广泛地应用于控制领域中。

Ziegler-Nichols工程整定方法主要通过临界法来寻求最优P、I和D控制参数。其中经验公式如表1所示。

表1 Ziegler-Nichols法经验公式

操作步骤如下:

Step 1 初始化被控系统,使系统不存在积分项和微分项,只有比例项;

Step 2 如图4所示,逐步增加比例项参数直到系统输出为等幅振荡,此时比例项参数为临界比例系数δpr和振荡周期为Tpr;

Step 3 采用表1提供的经验公式,确定控制参数P、I和D。

图4 Ziegler-Nichols法临界阻尼震荡示意图

图5 DFB激光器驱动电源实物图

3 驱动电源性能测试

DFB激光器驱动电源实物图如图5所示。实验采用激射波长为1.742 μm的DFB激光器作为被驱动对象。

3.1 DFB激光器驱动测试

通过上述整定方式得到PID 3个参数分别为P=44.84,I=19.93,D=25.22。利用上述3个控制参数,设定目标驱动电流为100 mA。驱动电流测试曲线如图6所示。

图6 DFB激光器驱动电流测试曲线

从图6可以看出,驱动电流于20 s后逐渐稳定,控制精度优于0.02 mA。

3.2 驱动电源系统线性度分析

驱动电流线性度是衡量驱动电源的重要指标之一[14]。压控恒流源的输入电压与驱动电流成映射关系。实验中,通过改变输入电压来测量驱动电流。将二者数据经过拟合后,得到曲线如图7所示。

图7 驱动电源系统线性度实验曲线

图8 系统驱动电流稳定度测试结果

结果显示,最大驱动电流偏差值为0.087 3 mA,线性度为99.97%,性能良好。

3.3 驱动电源驱动电流稳定度分析

利用上述DFB激光器作为被驱动对象,对驱动电源驱动电流的稳定性进行测试实验,结果如图8所示。

实验中,预设驱动电流为100 mA,在大于220 h的长期测试,驱动电流平均值为100.000 435 mA,与均值相差最大偏差值为0.000 439,稳定度(220 h)为4×10-5。

4 结束语

基于硬件和软件双闭环反馈控制方案,实现微小电流误差和高稳定电流输出。同时具有慢启动、过流保护和静电保护功能。通过驱动电源的性能测试,结果表明:设计的高稳定性DFB激光器驱动电源输出线性度优于99.97%,长期稳定度为4×10-5,且具有慢启动、过流保护和静电保护功能,使其免受损坏,增加了使用寿命,能够为近红外气体检测提供稳定工作的供电保障,使检测数据更精确。

[1] 杨克成,刘舒书,杨爱武. 大功率激光器驱动电源的闭环控制与补偿[J]. 激光与红外,2016,46(1):85-91.

[2] 温志渝,王玲芳,陈刚,等. 基于量子级联激光器的气体检测系统的发展与应用[J]. 光谱学与光谱分析,2010,30(8):2043-2048.

[3] 田学农,高建军. 半导体激光器改进电路模型的大信号验证[J]. 电子器件,2014,37(1):55-58.

[4] McManus J B,Zahniser M S,Nelson D D. Dual Quantum Cascade Laser Trace Gas Instrument with Astigmatic Herriott Cell at High Pass Number[J]. Applied Optics,2011,50(4):74-85.

[5] 丛梦龙,李黎,崔艳松,等. 控制半导体激光器的高稳定度数字化驱动电源的设计[J]. 光学精密工程,2010,18(7):1269-1236.

[6] Namjou K,Cai S,Whittaker E A,et al. Sensitive Absorption Spectroscopy with a Room-Temperature Distributed-Feedback Quantum-Cascade Laser[J]. Optics Letters,1998,23(3):219-221.

[7] Christopher R,Gregory J,David C,et al. Quantum-Cascade Laser Measurements of Stratospheric Methane and Nitrous Oxide[J]. Applied Optics,2001,40(3):321-326.

[8] 衷卫声,马红杰,万滔,等. 基于遗传算法的FNN-PID控制技术在溶解氧控制中的应用[J]. 计算机测量与控制,2011,19(8):1908-1911.

[9] Thompson M T,Schlecht M F. High Power Laser Diode Driver Based on Power Converter Technology[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,1997,12(1):46-52.

[10] 顾星煜,史博文,赵保付,等. 一种新型原边反馈反激式数字控制LED驱动电源设计[J]. 电子器件,2015,38(2):291-299.

[11] 马昌松,吴朝晖. 基于电流型并联谐振多通道LED驱动电源设计[J]. 电力电子技术,2015,49(5):52-55.

[12] 杨成晨,张九根. 基于灰色预测模糊PID算法的空调房间温度控制[J]. 电子技术应用,2012,38(4):56-59.

[13] 张小庆,彭彧华,唐小英,等. 数字电源模糊自适应PID控制算法仿真研究[J]. 电源技术,2012,36(11):1711-1713.

[14] 战俊彤,付强,段锦,等. 利用位置式数字PID算法提高DFB激光器驱动电源稳定性[J]. 红外与激光工程,2015,44(6):1757-1761.

Design of High Stability DFB Driver Utilized in Near Infrared Gas Detection*

WANGKun1*,LIMing1,LIYaping2

(1.Department of Electrical Engineering,Henan Polytechnic,Zhengzhou 450046,China;2.School of Information Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045,China)

A high stability DFB(Distributed Feed Back)driver utilized in near infrared gas detection is designed,which is based on the core chip of TMS320LF28335 digital signal processor. In terms of hardware design,the double voltage feedback control architecture is used to achieve slight current error and highly stable current output with the features of slow start,over-current protection and electrostatic protection in the meanwhile time. In consider of software design,digital PID(Proportion Integral and Differential)control algorithm is used to further decrease the driving current error. A DFB laser with centre wavelength at 1.742 μm is utilized as a driving target in experiment,the linear of driving current of DFB lasers driver reaches 99.97%,and stability is 4×10-5,which behaves good significance in practice.

feedback laser;Ziegler-Nichols PID algorithm;driver power;infrared gas detection