基于MAX1647的大功率激光電源的設計??

摘要：針對大功率全固態(tài)激光電源的特點，利用MAX1647電源管理芯片的恒流、恒壓及相互之間自動轉換功能，設計了輸出為60A/160V的大功率激光器電源。利用單片機89C51對MAX1647進行高效管理，并采用改進型線性拓撲結構，大大提高了激光器電源的效率及穩(wěn)定性。在激光打標系統(tǒng)中的應用，證明了該電源不僅高效、安全、可靠，而且大大地提高了整個系統(tǒng)的智能化程度。

關鍵詞：激光電源；單片機；恒流；恒壓

1引言

隨著二極管泵浦全固態(tài)激光器相關技術的不斷發(fā)展，它在工業(yè)、國防科研、生物醫(yī)學工程等領域的應用越來越廣泛，對其輸出功率、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1kHz），輸出電流、電壓的穩(wěn)定性要求很高。微小的電流擾動將影響激光器的出光質量，不當?shù)谋Ｗo可能引起巨大的損失。針對這些特點，我們選擇功能強大的電源管理芯片MAX1647作為整個系統(tǒng)控制的核心部分，設計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，其內部結構如圖1所示。它包括兩個調整環(huán)，即一個電壓調整環(huán)與一個電流調整環(huán)，實現(xiàn)恒流與恒壓功能及相互之間的自動轉換；并采用INTEL系統(tǒng)管理總線（SMBUS）接口，其中內部有一個6位和一個10位的D/A轉換器分別用于電流和電壓的預置；另外，MAX1647提供了最大為4A的電流輸出。

圖1MAX1647的內部結構

圖2MAX1647的輸出特性曲線

圖3整機電路框圖

圖4SMBUS總線訪問時序圖

在MAX1647的電壓調整環(huán)中，通過SMBUS總線，經內部10位DAC設置預置電壓，負載電壓與預置電壓通過GMV誤差放大器進行比較放大后的誤差信號輸出到CCV端口，然后送到一個由二選一電路組成的恒流/恒壓自動轉換電路的一個端子上，其中由CCV端口輸出的誤差信號由內部鉗位電路限制在1/4到3/4參考電壓之間的；與電壓調整環(huán)工作原理相類似，被鉗位的電流誤差信號由CCI端口送到自動轉換電路的另一個端子上；利用PWM控制器，把電壓/電流誤差信號轉換為脈寬調制信號，用以驅動兩個N溝道MOSFET管，經同步整流、濾波器濾波后，得到所需的輸出信號。

MAX1647的輸出特性曲線如圖2所示，當輸出電壓小于預置電壓V0時，電流調整環(huán)發(fā)揮作用，輸出是恒流模式；當負載的電壓到達預置電壓V0以后，電流調整環(huán)停止作用，電壓調整環(huán)開始工作，這時輸出為恒壓模式。恒流模式時，CCV端口輸出的電壓誤差信號被鉗位在CCI端口最小電壓值80mV以上，這樣即可防止更新預置電流值時負載電流溢出，又可防止從恒流模式轉換為恒壓模式時，出現(xiàn)過沖電現(xiàn)象。在恒壓模式時，鉗位電路也可起到相類似的作用。

3激光器電源的設計

根據實際需要設計的激光器電源輸出為60A/150V，恒流、恒壓及相互之間能自動轉換。

3.1整體電路設計

整體電路設計框圖如圖3所示。

MAX1647電源管理芯片是整個系統(tǒng)的控制核心部分，它完成恒流、恒壓及相互之間自動轉換的功能。但MAX1647的最大輸出4A，不足以達到設計要求，因此，把MAX1647的輸出信號經由達林頓管組成的改進型線性主電路，進行電流、電壓放大。在線性主電路中，由達林頓管、霍爾電流/電壓傳感器、MAX1647、及光耦隔離一起構成了電流主調環(huán)，保證恒流、恒壓功能。同時增加了由達林頓管、誤差電壓放大、晶閘管控制模塊、晶閘管降壓整流構成的電壓從調環(huán)，它把達林頓管壓降與參考電壓進行比較放大，以控制晶閘管觸發(fā)模塊，使達林頓管壓降保持在參考電壓附近，大大地降低了達林頓管上的功耗，使電源整體輸出穩(wěn)定性、效率等有顯著的提高；利用單片機實現(xiàn)電源與機械傳動部分、水冷系統(tǒng)部分以及計算機軟件控制部分的有機結合；利用高性能的霍爾電流、電壓傳感器實現(xiàn)對輸出電流、電壓的實時檢測；液晶顯示模塊實時顯示輸出電壓、電流和有關狀態(tài)；整個電路通過光耦和傳感器實現(xiàn)隔離。

3.2利用89C51對MAX1647進行設置

89C51通過SMBUS的READ?WORD和WRITE?

WORD協(xié)議與MAX1647進行雙向通信，實現(xiàn)參數(shù)的設置。圖4為SMBUS總線訪問時序圖。

從圖4可見：89C51與MAX1647通信的開始條件是SDA端口為下降沿，同時SCL端口為高電平；MAX1647的WRITE－WORD協(xié)議為0b00010010（0b表示二進制），或者可表示為0x12（0x表示十六進制）；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)據位。幾個常用的WRITE－WORD協(xié)議命令：ChargerMode()命令，命令代碼為0x12，主要用于清零和復位；ChargingVolage()命令，命令代碼為0x15，主要用于電壓預置；ChargingCurrent()命令，主要用于電流預置，命令代碼為0x14，即CMD7～CMD0的數(shù)據為00010100，16位二進制數(shù)值由D15～D0組成表示Io的電流值，單位為mA。當端子SEL與AGND短接時，電流Io的最大預置值為1.023A；如果讓端子SEL懸空，則Io的最大預置值為2.047A；當端子SEL與VL短接，則Io的最大預置值為4.095A。MAX1647提供兩個電流源給負載供電：一個來自內部的線性電流源IOUT，一個是開關電路提供的電流。IOUT提供1mA～31mA的電流（步長為1mA）。例如，當Io最大預置值為4.095A時，數(shù)據位D11～D6對應為6位電流預置DAC的DA5～DA0位；數(shù)據位D4～D0對應輸出電流IOUT的I4～I0，表示IOUT線性電流源二進調整數(shù)。注意任何時候DAC位被置位，線性電流源被調整至滿幅（31mA）。AlarmWarning()命令，命令代碼為0x16，主要用于保護設置；ChargerStatus()命令，命令代碼為0x13，主要用于返回溫度傳感器以及MAX1647的內部信息，這些信息暫存D15～D0位中。

圖589C51與MAX1647應用電路圖

為了滿足SMBUS的通信規(guī)則,用單片機P1口的其中兩位分別模擬數(shù)據信號SDA和時鐘信號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實驗結果

利用該電路結構，開發(fā)9kW半導體激光二極管電源。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、極快的響應速度；晶閘管觸發(fā)模塊采用山東威海生產的內部帶光電隔離的SCR－JKSK，它的調整性能較好，同時為保證三相平衡，應采用每相單獨調整；達林頓管選用東芝公司的MG75G2YL1A，在應用時注意其電流放大倍數(shù)小于20，故應保證驅動電路能提供滿足需要的驅動電流。另外，為了判定故障原因，利用液晶顯示模塊實現(xiàn)顯示電源狀態(tài)。

采用PM300儀器測試裝置性能指標為：輸入3相380V，輸出0～160V，0.5～60A，恒壓、恒流，并且相互之間能實現(xiàn)無擾自動轉換，效率為88.5％。

5結語

利用MAX1647與89C51組成控制電路的核心部分，采用?進型線性結構設計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轉換的功能，一方面，克服了完全用單片機控制帶來的響應速度慢、恒流恒壓特性差、可能出現(xiàn)死機的缺陷；另一方面，又避免了純硬件控制帶來的復雜性，提高了電源的智能性。在激光打標系統(tǒng)中的應用，證明了該電源不僅高效、安全、可靠，而且大大提高了整個系統(tǒng)的智能化程度。

參考文獻

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