基于ARM的高功率半導體激光器電源的設計

湖北工程學院物理與電子信息工程學院 趙 恒

基于ARM的高功率半導體激光器電源的設計

湖北工程學院物理與電子信息工程學院 趙 恒

為了提高高功率半導體激光器電源的人機交互性和智能性。本文采用STM32F107VCT6作為半導體激光器恒流源的主控芯片，選擇了10M/100M的以太網(wǎng)交互，電源可以實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。電源能夠提供自動的溫度控制以及對半導體激光器的保護。電源的最大輸出電流為70A。

STM32F107VCT6；恒流源；人機交互

0 引言

高功率半導體激光器由于其卓越的性能被廣泛的應用于許多工業(yè)領域。然而半導體激光器對溫度和電流波動非常敏感，電源的設計對于半導體激光器的表現(xiàn)非常重要。

本文設計了基于ARM芯片，具有智能控制功能的驅動電源。系統(tǒng)由兩部分組成。一部分是基于STM32F107VCT6的控制系統(tǒng)，另一部分是電源的拓撲電路。10M/100M的以太網(wǎng)接口被用于控制系統(tǒng)中。基于UC/OS II的操作系統(tǒng)被用于驅動電路的管理。本文同時設計了基于LABVIEW的人機交互界面。硬件電路包括基于電流負反饋控制的恒流源輸出模塊，基于TEC的冷卻溫度自動控制模塊。

1 高功率半導體激光器的結構

圖1所示為半導體激光器電源的結構。STM32F107VCT6能夠通過TIM_ARR和TIM_CCR產生需要的PWM波。PWM信號通過頻率調節(jié)，濾波器以及放大器后進入后面的硬件電路。PWM波的輸入接恒流源的輸出采樣。STM32F107VCT6同樣可以控制電路工作與輸出直流可調電路。同時輸出電流可以才LCD上進行顯示。DS18B20被用于實時監(jiān)測半導體激光器的溫度，溫度信號通過STM32F107VCT6在LCD上實時顯示。激光器通過TEC進行冷卻。STM32F107VCT6與上位機之間的通信通過以太網(wǎng)接口完成。

Figure 1.Structure of the semiconductor laser power supply

2 基于恒流源的電路設計

恒流源電路采用了MOSFET作為開關器件，同時為了提高系統(tǒng)的熱耗散能力以及輸出電流的能力，電路采用了三個MOSFET并聯(lián)工作的模式[1][2][3]。圖2為恒流源電路的PSPICE仿真圖。輸出電流Iout通過采樣電阻Rs轉換為電壓Vs。Vs通過U7A放大輸入Vf，同時Vs也被輸入到STM32F107VCT6做后續(xù)信號處理。U7B作為電壓緩存器用于降低信號干擾。U6B作為高增益的差分放大器用來比較Vf和Vin信號。輸出電流Iout1，Iou2，Iout3通過M1，M2，M3進行調節(jié)。Iout用下式表示：

Iout通過閉環(huán)回路控制保持恒定。Iout可用如下等式表示：

Figure 2.PSPICE circuit of constant-current output

電源的工作模式可以通過Vin在連續(xù)和非連續(xù)模式下切換，通過M4實現(xiàn)過流保護功能。Vset將輸出電流限定在設定值。

Figure 3.Vset=9.5V，Vin varies from 0V-10V

3 結果和分析

本設計選用PSPICE仿真軟件模擬恒流輸出電路(如圖2所示)。模擬結果驗證了公式(5)的對應關系。當Vin為直流輸入時，電源工作在連續(xù)模式，模擬結果顯示當Vin在0V-10V變化時，Iout最大輸出可以達到70A，如圖3所示。Vset設定為9.5V，用于保證Iout不會過流。圖4顯示當Vset設定為5V時，輸出電流Iout在0A-36.8A之間變化。所以恒流輸出電路對于過流保護起著非常重要的作用。

當Vin為脈沖信號時，電源工作于非連續(xù)模式，Iout是脈沖電流，其脈沖頻率由STM32F107VCT6設定產生。輸出峰值電流由Vin決定。

Figure 4.Vset=5V，Vin varies from 0V-10V

[1]STM32F107VCT6．Data sheet PDF,2011．

[2]Ying Zhang．Design of semiconductor laser power supply[J]．Digital Technology and Application,vol．8,pp．138-139,2014．

[3]Zhao Cui and Meng Gao．Design of Data Collection and Communication System Oriented on Ethernet by using US/OS II and ARM[J]．Computer Measurement&Control,vol,16(2),pp．273-275,2008．

Design of high power semiconductor laser power supply based on ARM

In order to improve the intellectuality and human-machine interaction of high power semiconductor laser power supply，STM32F107VCT6 is used as master controller in the constant-current source system of semiconductor laser.By using the 10M/100M Ethernet interface based on STM32F107VCT6，the power supply can achieve network communication.At the same time，the power supply system provides automatic temperature control and protection for semiconductor laser.The result shows that the power supply can work in continuous wave(CW)and quasi-continuous wave(QCW)modes，whose maximum output current is 70A.

STM32F107VCT6；Constant-current source；Human-machine interaction