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專家講解:電源管理電路設(shè)計詳解

發(fā)布時間:2015-05-13 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】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,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(zhì)量,不當(dāng)?shù)谋Wo可能引起巨大的損失。
 
隨著二極管泵浦全固態(tài)激光器相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,它在工業(yè)、國防科研、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)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(zhì)量,不當(dāng)?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(shè)計出完全滿足要求的大功率激光器電源。
  
MAX1647電源管理芯片介紹
  
MAX1647是MAXIM公司的新型電源管理芯片,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括兩個調(diào)整環(huán),即一個電壓調(diào)整環(huán)與一個電流調(diào)整環(huán),實現(xiàn)恒流與恒壓功能及相互之間的自動轉(zhuǎn)換;并采用INTEL系統(tǒng)管理總線(SMBUS)接口,其中內(nèi)部有一個6位和一個10位的D/A轉(zhuǎn)換器分別用于電流和電壓的預(yù)置;另外,MAX1647提供了最大為4A的電流輸出。
MAX1647的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖1 MAX1647的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
  
在MAX1647的電壓調(diào)整環(huán)中,通過SMBUS總線,經(jīng)內(nèi)部10位DAC設(shè)置預(yù)置電壓,負載電壓與預(yù)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(zhuǎn)換電路的一個端子上,其中由CCV端口輸出的誤差信號由內(nèi)部鉗位電路限制在1/4到3/4參考電壓之間的;與電壓調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號,用以驅(qū)動兩個N溝道MOSFET管,經(jīng)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(dāng)輸出電壓小于預(yù)置電壓V0時,電流調(diào)整環(huán)發(fā)揮作用,輸出是恒流模式;當(dāng)負載的電壓到達預(yù)置電壓 V0以后,電流調(diào)整環(huán)停止作用,電壓調(diào)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(yù)置電流值時負載電流溢出,又可防止從恒流模式轉(zhuǎn)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。
  
整體電路設(shè)計
  
整體電路設(shè)計框圖如圖3所示。
整機電路框圖
圖2 整機電路框圖
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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(zhuǎn)換的功能。但MAX1647的最大輸出4A,不足以達到設(shè)計要求,因此,把MAX1647的輸出信號經(jīng)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(gòu)成了電流主調(diào)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(gòu)成的電壓從調(diào)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(jié)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(guān)狀態(tài);整個電路通過光耦和傳感器實現(xiàn)隔離。
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(jù)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(fù)位;ChargingVolage()命令,命令代碼為0x15,主要用于電壓預(yù)置;ChargingCurrent()命令,主要用于電流預(yù)置,命令代碼為0x14,即CMD7~CMD0的數(shù)據(jù)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(dāng)端子SEL與AGND短接時,電流Io的最大預(yù)置值為1.023A;如果讓端子SEL懸空,則 Io的最大預(yù)置值為2.047A;當(dāng)端子SEL與VL短接,則Io的最大預(yù)置值為4.095A。MAX1647提供兩個電流源給負載供電:一個來自內(nèi)部的線性電流源IOUT,一個是開關(guān)電路提供的電流。IOUT提供1mA~31mA的電流(步長為1mA)。例如,當(dāng)Io最大預(yù)置值為4.095A時,數(shù)據(jù)位 D11~D6對應(yīng)為6位電流預(yù)置DAC的DA5~DA0位;數(shù)據(jù)位D4~D0對應(yīng)輸出電流IOUT的I4~I0,表示IOUT線性電流源二進調(diào)整數(shù)。注意任何時候DAC位被置位,線性電流源被調(diào)整至滿幅(31mA)。AlarmWarning()命令,命令代碼為0x16,主要用于保護設(shè)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(nèi)部信息,這些信息暫存D15~D0位中。
 89C51與MAX1647應(yīng)用電路圖
圖4 89C51與MAX1647應(yīng)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(jù)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。利用MAX1647與89C51組成控制電路的核心部分,采用改進型線性結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)換的功能,一方面,克服了完全用單片機控制帶來的響應(yīng)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(fù)雜性,提高了電源的智能性。在激光打標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)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。
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