张新英 余发军 李伟锋 王双岭 刘秀敏

(中原工学院信息商务学院电气工程系,河南 郑州 451191)

噪声巡检功能的并联LDLD群驱动电源的研制

张新英 余发军 李伟锋 王双岭 刘秀敏

(中原工学院信息商务学院电气工程系,河南 郑州 451191)

研制一种具有噪声巡检功能的激光二极管并联群的驱动电源。该驱动电源结构简单,能够快速实现软启动,避免浪涌电流对激光二极管的损坏。采用FPGA和单片机共同控制,减小了单片机单个控制的负担。系统电路包括软启动电路、电压/电流转换电路、并联群连接电路、温度控制电路等。当LD并联群中有任何一个损坏时,即可采用测量噪声的方式来检验和发现,并进行声音和显示器双重报警,确保整个系统连续、稳定。激光二极管并联群的输出通过选择合适的光纤耦合器进行耦合输出。

噪声;软启动;可调并联LD群;电源

研制一种具有噪声巡检功能的激光二极管LD并联群驱动电源,并联群激光二极管的输出通过选择合适的光纤耦合器进行耦合,可以获得比较大的功率。此系统采用单片机和FPGA相结合进行控制,对于并联群激光驱动电源,除了要求激光二极管具有低的电噪声,高的稳定性,电源的要求更加苛刻,必须使用软启动电路。而噪声巡检更是解决了并联群中激光二极管损坏无法实时检测的问题。即实现当并联LD群中任何一个损坏时,可以采用噪声检测的方法来发现,并进行声音和显示器双重报警,确保整个系统的连续稳定［1］。

1 噪声巡检的工作原理

噪声是指元器件、电路、仪器设备或电子系统中出现的非预期的电信号。由噪声所造成的不良效应称为干扰。对半导体激光器的噪声研究,可以研究器件产生噪声的原理,制备低噪声的器件,也可以根据器件噪声的具体数值对器件进行全面的稳定性或者可靠性的评估。对于应用而言,要求激光二极管具有比较低的电噪声,而相对高的稳定性。由于电流噪声与驱动器的最大输出功率成一定的比例关系,所以,电流源的选取必须与所使用的半导体激光器相互匹配［2一4］。由于不匹配造成的后果将会对研究或实验结果造成非常大的不良影响,即半导体激光器的损坏。这就无形中增加了不必要的成本损失。

图1 噪声巡检原理

噪声巡检工作原理如图1所示,通过噪声巡检的方式来检验并联群LD电路中的各个数据,并测量性能,如果并联群中任何一个激光二极管受损,系统就会报警,直到达到LD电路所需的恒流值为止。或者在系统报警时及时进行人为的处理,从而来调节电流,最终实现恒流驱动。

2 系统硬件简介

半导体激光器的群驱动系统的硬件部分比较复杂,可以分为几大模块。各个模块之间并不是相互独立的。主要包括软启动或慢启动电路、光功率采样电路、噪声巡检电路及并联LD群连接电路、温度控制电路,报警电路,显示电路,纹波调零电路,恒流控制电路,A/D及D/A转换电路等。如图2所示。

图2 系统硬件原理框图

整个系统由单片机和FPGA的结合来共同完成控制。激光二极管并联群软启动驱动电源的驱动下,实现光功率的采样,产生模拟信号。这个模拟信号和温度传感器采集的温度信号,经放大器放大后再转换变为数字信号,随后送入FPGA,FPGA将此信号送入单片机进行运算,经过反馈控制后的信号后经D/A转换,软启动电路,送给LD并联群。这是第一个反馈回路。光功率的具体设定值可以从键盘输入,同时由八段数码管进行激光功率数据的显示。采样温度结果经过模数转换,再与设定值进行比较,根据结果数据来调整控制参数,从而调整LD的工作状态,最终形成稳定的温度闭环控制。这是第二个反馈回路。在这两个反馈回路的作用下,如果有任何一个激光二极管损坏,就可以通过噪声巡检的方法来发现并报警,从而得到妥善的处理。

本文控制器件选用单片机和FPGA,根据对速度的要求,单片机选用89s52,FPGA采用XILINX公司生产的XCS40一3PQ208C可编程逻辑器件。

3 各模块介绍

由于各模块电路在一些论文中多次出现,并已经非常成熟,现主要将硬件电路中的软启动电路、V/I转换电路、并联LD群连接电路这三个模块的电路作主要介绍。

3.1 软启动电路

激光二极管本身的特点是功率高,具有很高量子效率。温度的变化和电流的细微变化,都会导致光功率输出的变化,甚至是器件性能的变化,这些变化的发生,将会产生很大的安全隐患。为了使半导体激光器处在最安全最佳的工作状态,最佳方案是采用软启动电路。在电路中使用软启动电路作为激光器的直接电源驱动,能够使电流输出由零缓慢上升至额定值,保证激光器能够稳定工作而不至于损坏,从而最大限度地降低成本。

图3 软启动电路原理图

图3中所示为软启动电路,TR1为变压器,输出的电压直接加在桥式整流电路上。然后在整流电路的输出端并联一个电容C1即构成电容滤波电路,电容滤波电路利用电容的充放电作用,使输出电压逐渐趋于平滑［6］。最后经过7805稳压输出加到半导体激光器并联群上,有效解决了半导体激光器对电源供电的苛刻要求的问题。

3.2 V/I转换电路及其与并联群LD连接

对于V/I转换电路,张新英等［2］已作详细介绍,这里就不再赘述。通过计算,得出输出电流io和电阻Ro的关系：

由式(1)可知,输入电压一定时,输出电流io只与电阻Ro有关。我们只需选择合适的Ro,就可以通过简单的线性运算来得到控制电压和输出电流之间的关系。由于本文输出电流和电阻的关系的计算过程比较简单,此处给予省略。对于电路中的激光二极管并联群的数量,最多能够并联5个,并联数量过多,将会造成输出电流总量过大,可能烧坏激光二极管的并联群,本文选用最佳数量5个来进行参数的记录和评定。

电路中绘出了激光二极管并联的情况,并联激光管的个数可以视实际需求情况来定。并联群激光管的输出再通过光纤耦合器进行耦合［4］,从而得到比较大的输出功率。

3.3 软件设计流程简介

图4 主程序流程图

本研究系统软件主程序流程图如图4所示,直接按下start键,系统电源接通,系统进行全面初始化,随后进行显示子程序的调用,并在八段数码管上显示电流数据,接着再调用键扫描子程序,若有按键按下,则启动全部LD,同时噪声巡检电路开始运行,进行电压噪声或电流噪声的检测。如果激光二极管群中任何一个有所损坏,系统将检验出损坏的LD并进行报警,报警通过LED显示红灯,并伴随1KHz的声音信号输出。此时,对于操作人员,可以及时发现损坏的激光二极管并进行及时补救处理,使整个系统能够快速进入正常状态。

4 结论

经实验证明,该装置能够同时驱动至少5个并联激光二极管,能够实现高稳定度的激光二极管驱动。能够准确、可靠地控制并联激光二极管,进而正确选择利用光纤合束器来获得大功率的输出。而噪声巡检电路,更好地解决了激光二极管参数的差异引起的输出功率不稳定的问题。系统稳定可靠,能够保证稳定功率输出。

［1］冯伟,毛海涛,张锦龙,等.激光二极管群并联驱动电源的研制［J］.现代科学仪器,2005(4):40一42.

［2］张新英,朱永涛,王志鹏,等.具有噪声巡检功能的LD可调串联群驱动电源的设计［J］应用激光,2010,30(1):16一18.

［3］张新英,王志鹏,宋海飞,等.串联结构激光二极管群驱动电源的设计［J］激光杂志,2009,30(6):10一11.

［4］刘竹琴,白泽生.传感器电路的噪声及其抗干扰技术研究［J］.光学与光电技术,2011,34(14):161一165.

［5］刘竹琴,白泽生.利用固态继电器阵列实现高精度可调直流稳压电源设计［J］.火力与指挥控制,2015,40(5): 171一174.

［6］刘竹琴,白泽生.磁藕合谐振式无线电能传输装置设计［J］.微型机与应用,2015,34(2):32一34.

Design of Number-Adjusted GrouP of Parallel-Connected Semicon ductor Lasers Driver with Function of Achieving Noisy InsPection

Zhang Xinying Yu Fajun Li Weifeng Wang Shuangling Liu Xiumin
(Department of Electric Engineering,School of Information and Business,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou Henan 451191)

A power supply driver of a laser diode in parallel groups which has the function to achieve noisy inspection was developed.This power supply has simple construction,it can achieve soft start quickly,to avoid the damage of surge current on the laser diode.This power supply adopts the combination of FPGA and single一chip microcomputerfor control,reducing the burden of single一chip microcomputer individual control.The system circuit includes a soft start circuit,voltage/current converting circuit,connected circuit of parallelgroups,temperature control circuitand so on.This can be checked and found by using the method of measuring noise,and alarmed by sound and display when there is any LD destroyed in the group of parallel一connected semiconductor laser,which can ensure the continuous and reliablerunning of the whole system.The output of group of parallel一connected semicon ductor lasers will be carried out through selecting suitable fiber coupler.

noisy;soft start;number一adjustedgroup of parallel一connected Semiconductor Lasers;power supply

TN248.4

A

1003一5168(2015)07一0010一3

2015一7一1

张新英(1983一),女,讲师,研究方向:激光电源、传感器、虚拟仪器技术的研究。