基于MAX1647的大功率激光电源的设计

1 引言
    随着二极管泵浦全固态激光器相关技术的不断发展，它在工业、国防科研、生物医学工程等领域的应用越来越广泛，对其输出功率、可靠性要求也不断提高。作为二极管泵浦全固态激光器的重要组成部分的电源，其可靠性、稳定性也就显得格外重要。二极管泵浦全固态激光器的电源功率较大，输出为大电流、低电压，工作脉冲频率较高（可达1kHz），输出电流、电压的稳定性要求很高。微小的电流扰动将影响激光器的出光质量，不当的保护可能引起巨大的损失。针对这些特点，我们选择功能强大的电源管理芯片MAX1647作为整个系统控制的核心部分，设计出完全满足要求的大功率激光器电源。

2 MAX1647电源管理芯片介绍 
    MAX1647是MAXIM公司的新型电源管理芯片，其内部结构如图1所示。它包括两个调整环，即一个电压调整环与一个电流调整环，实现恒流与恒压功能及相互之间的自动转换；并采用INTEL系统管理总线（SMBUS）接口，其中内部有一个6位和一个10位的D/A转换器分别用于电流和电压的预置；另外，MAX1647提供了最大为4A的电流输出。

    在MAX1647的电压调整环中，通过SMBUS总线，经内部10位DAC设置预置电压，负载电压与预置电压通过GMV误差放大器进行比较放大后的误差信号输出到CCV端口，然后送到一个由二选一电路组成的恒流/恒压自动转换电路的一个端子上，其中由CCV端口输出的误差信号由内部钳位电路限制在1/4到3/4参考电压之间的；与电压调整环工作原理相类似，被钳位的电流误差信号由CCI端口送到自动转换电路的另一个端子上；利用PWM控制器，把电压/电流误差信号转换为脉宽调制信号，用以驱动两个N沟道MOSFET管，经同步整流、滤波器滤波后，得到所需的输出信号。

    MAX1647的输出特性曲线如图2所示，当输出电压小于预置电压V0时，电流调整环发挥作用，输出是恒流模式；当负载的电压到达预置电压V0以后，电流调整环停止作用，电压调整环开始工作，这时输出为恒压模式。恒流模式时，CCV端口输出的电压误差信号被钳位在CCI端口最小电压值80mV以上，这样即可防止更新预置电流值时负载电流溢出，又可防止从恒流模式转换为恒压模式时，出现过冲电现象。在恒压模式时，钳位电路也可起到相类似的作用。

3 激光器电源的设计
    根据实际需要设计的激光器电源输出为60A/150V，恒流、恒压及相互之间能自动转换。

3.1 整体电路设计
     整体电路设计框图如图3所示。

     MAX1647电源管理芯片是整个系统的控制核心部分，它完成恒流、恒压及相互之间自动转换的功能。但MAX1647的最大输出4A，不足以达到设计要求，因此，把MAX1647的输出信号经由达林顿管组成的改进型线性主电路，进行电流、电压放大。在线性主电路中，由达林顿管、霍尔电流/电压传感器、MAX1647、及光耦隔离一起构成了电流主调环，保证恒流、恒压功能。同时增加了由达林顿管、误差电压放大、晶闸管控制模块、晶闸管降压整流构成的电压从调环，它把达林顿管压降与参考电压进行比较放大，以控制晶闸管触发模块，使达林顿管压降保持在参考电压附近，大大地降低了达林顿管上的功耗，使电源整体输出稳定性、效率等有显著的提高；利用单片机实现电源与机械传动部分、水冷系统部分以及计算机软件控制部分的有机结合；利用高性能的霍尔电流、电压传感器实现对输出电流、电压的实时检测；液晶显示模块实时显示输出电压、电流和有关状态；整个电路通过光耦和传感器实现隔离。

3.2 利用89C51对MAX1647进行设置
    89C51通过SMBUS的READ WORD和WRITE WORD协议与MAX1647进行双向通信，实现参数的设置。图4为SMBUS总线访问时序图。

    从图4可见：89C51与MAX1647通信的开始条件是SDA端口为下降沿，同时SCL端口为高电平；MAX1647的WRITE－WORD协议为0b00010010（0b表示二进制），或者可表示为0x12（0x表示十六进制）；READ－WORD协议则可表示为0b00010011或者0x13。

     另外，CMD0～CMD7代表具体的命令，D0～D15表示数据位。几个常用的WRITE－WORD协议命令：ChargerMode()命令，命令代码为0x12，主要用于清零和复位；ChargingVolage()命令，命令代码为0x15，主要用于电压预置；ChargingCurrent()命令，主要用于电流预置，命令代码为0x14，即CMD7～CMD0的数据为00010100，16位二进制数值由D15～D0组成表示Io的电流值，单位为mA。当端子SEL与AGND短接时，电流Io的最大预置值为1.023A；如果让端子SEL悬空，则Io的最大预置值为2.047A；当端子SEL与VL短接，则Io的最大预置值为4.095A。MAX1647提供两个电流源给负载供电：一个来自内部的线性电流源IOUT，一个是开关电路提供的电流。IOUT提供1mA～31mA的电流（步长为1mA）。例如，当Io最大预置值为4.095A时，数据位D11～D6对应为6位电流预置DAC的DA5～DA0位；数据位D4～D0对应输出电流IOUT的I4～I0，表示IOUT线性电流源二进调整数。注意任何时候DAC位被置位，线性电流源被调整至满幅（31mA）。AlarmWarning()命令，命令代码为0x16，主要用于保护设置；ChargerStatus()命令，命令代码为0x13，主要用于返回温度传感器以及MAX1647的内部信息，这些信息暂存D15～D0位中。

    为了满足SMBUS的通信规则,用单片机P1口的其中两位分别模拟数据信号SDA和时钟信号SCL，89C51的P1.1口与MAX1647的SCL端子连接，P1.0口与MAX1647的SDA端子连接。电路如图5所示，其中：高频电感L1用粉末铁心，外加粗线线圈绕制而成。

4 实验结果
    利用该电路结构，开发9kW半导体激光二极管电源。选用的主要元器件如下：霍尔传感器选用北京莱姆公司生产的电压电流传感器，具有高灵敏度、优良的线性度、极快的响应速度；晶闸管触发模块采用山东威海生产的内部带光电隔离的SCR－JKSK，它的调整性能较好，同时为保证三相平衡，应采用每相单独调整；达林顿管选用东芝公司的MG75G2YL1A，在应用时注意其电流放大倍数小于20，故应保证驱动电路能提供满足需要的驱动电流。另外，为了判定故障原因，利用液晶显示模块实现显示电源状态。

    采用PM300仪器测试装置性能指标为：输入3相380V，输出0～160V，0.5～60A，恒压、恒流，并且相互之间能实现无扰自动转换，效率为88.5％。

5 结语
    利用MAX1647与89C51组成控制电路的核心部分，采用改进型线性结构设计的大功率激光器电源，由于MAX1647具有恒流、恒压及相互之间自动转换的功能，一方面，克服了完全用单片机控制带来的响应速度慢、恒流恒压特性差、可能出现死机的缺陷；另一方面，又避免了纯硬件控制带来的复杂性，提高了电源的智能性。在激光打标系统中的应用，证明了该电源不仅高效、安全、可靠，而且大大提高了整个系统的智能化程度。