基于MAX1647的大功率激光电源的设计

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。

2max1647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。