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    激光錫焊解決方案

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    研發實驗室丨提高溫控激光電源穩定性的研究
    作者:武漢松爾德科技????? 發布日期:2019-01-09?
      溫控激光錫焊設備對激光器電源設計至關重要,由于激光器輸出光功率受其激射電流的影響,為了保證其穩定的光功率輸出,研制了基于位移式數字PID 算法的高穩定性激光器驅動電源。在硬件設計方面,該驅動電源主要由控制器模塊、恒流源模塊和保護電路模塊組成。采用模擬PI 深度負反饋環節有效地提高了驅動電流的穩定性。在軟件方面,采用位置式數字PID 算法,消除了實際驅動電流值與理論值之間的微小差異。利用該驅動電源,對中心波長為940.01 nm 的激光器做了驅動測試。實驗表明,長期穩定性(>220 h)優于4×10-5,中心波長未出現漂移,為其在紅外氣體檢測中提供了優越性能保障。
      
      激光器的譜帶范圍覆蓋大部分紅外氣體吸收指紋區,使得它在多個領域得到廣泛應用。通常,激光器的驅動模式分為以下兩種:(1) 恒流驅動模式。在該模式下工作時,激光器的驅動電流維持不變。(2) 恒光功率驅動模式。在該模式下工作時,激光器的驅動電路對激光二極管(LD)的平均光功率進行深度閉環負反饋控制。由激光器的激射電流不僅影響了其輸出光功率的穩定性,造成其發光波長的波動, 而且降低其使用壽命。因此, 在近紅外氣體檢測領域中, 研制高穩定性激光器驅動電源是十分必要的。目前,在商品化應用方面,許多國外的公司、高等院校及研究所都開展對激光器驅動電源的研究工作。盡管生產激光器的廠商有很多,但以上驅動電源長期穩定性(>220 h)優于1×10-4??紤]到上述產品的穩定性均不高的現狀, 結合實際項目指標的需求, 自主設計并研制了數字PID 算法的高穩定性溫控激光器驅動電源。該驅動電源在硬件上采用模擬PI 深度負反饋環節,同時結合軟件位置式數字PID 算法構成雙閉環反饋控制方法,有效地提高了驅動電流的穩定性。實驗表明,該驅動電源長期穩定性(>220 h) 優于4×10-5, 具有良好的實用價值。
      
      高穩定激光器驅動電源系統主要由控制器模塊、恒流源模塊和保護電路模塊組成。結構框圖如圖所示。采用32 位定點型處理器作為嵌入式控制器; 芯片內部的數模轉換器(DAC)產生高速高精度的模擬信號。恒流源模塊的驅動原理是根據MOSFET 的柵極控制電壓VGS與MOSFET 的導通電流ID 之間的關系來調節驅動激光器的電流。保護電路模塊分別對驅動電流進行過載保護, 電源電壓波動進行瞬態抑制、消除電路的靜電干擾。因此, 保護電路能夠使激光器工作于更復雜的電磁環境中, 大大延長其使用壽命。
      
      恒流源模塊是在恒定輸入電平下, 輸出恒定電流,恒定電流大小完全由輸入脈沖電壓幅值調節。
      
      恒流源模塊采用模擬PI 深度線性負反饋原理,通過取樣電阻R5對流過激光器的驅動電流進行采樣,將電流信號轉變成電壓信號。實際中,根據激光器驅動電流參數需要, 對系統的響應速度和信號穩定精確度進行折中處理, 最終選擇需要的參數來達到激光器驅動的性能指標。
      
      在延時軟啟動電路方面, 對經典π 型網絡進行了改進,借助NPN 型達林頓晶體管的大電流來間接提高電容的等效容值,使它產生大電容的效果,如果達林頓管的電流放大倍數為k,則在基極與地電位之間接入的電容C2就等效于在源極與地之間接入了容值為(1+k)C2的大電容。此外,該電路還可以實現DFB 激光器驅動的慢啟動與慢關閉,具體的工作方式為:電源接通瞬間,Q1截止,它的初始射極輸出電流為零, 外部電流通過接在達林頓管基極與集電極之間的電阻給電容C2充電,它的基極電位開始緩緩上升, 當超過截止電壓后,Q1的工作狀態由截止變為放大, 它的發射極電流由初始狀態一直變大直至飽和,同時三極管Q2基極電位也開始增大,最終Q2導通,濾波電路的輸出電壓等于它的輸入電壓。當電源斷開時,變化過程同理。這樣,激光器的開啟與關閉都能躲過上電與斷電瞬間的電網浪涌沖擊,具體的延遲時間與電阻R 的取值有關。
      
      在實際使用過程中,存在大量靜電,如果處理不當,靜電就會損傷激光器。文中系統在激光器兩端并聯瞬態抑制器(TVS),構成靜電通路,避免靜電損壞激光器。
      
      數字形式的PID 算法是將連續模擬的PID 算法在時間上等間隔T 采樣,進行數字離散化。相鄰兩點采樣之和作為積分項,之差作為差分項,數字形式的PID 表達式如下:
      
      式中:T 為采樣間隔;TI為積分項參數;TD為微分項參數;e(i)為系統第i 次采樣的偏差值。實際中, 對于復雜的系統建立的數學模型跟真實系統存在很大的差異, 所以工程中通常采用臨界比例帶法, 即不需要建立目標系統數學模型的前提下, 利用經驗公式, 實現對P、I 和D 三個參數進行整定。整定經驗公式如表1 所示。
      
      表1 經驗公式
      
      臨界比例帶法具體實現過程如下:
      
      (1) 初始化系統,使積分項和差分項為零,只存在比例環節。
      
      (2) 調節比例系數P, 待系統輸出響應等幅震蕩。此時,比例系數P 記為即臨界比例帶δpr,震蕩周期記為Tpr,如圖所示。
      
      (3) 利用表1 中所示的經驗公式,計算各個參數。在激光器的驅動實驗中,系統采用位移式數字PID 算法, 消除了實際驅動電流值與理論值之間的微小差異,其軟件流程圖如圖 所示。
      
      在激光器驅動電源上電之后,核心控制器首先完成系統各組成模塊的初始化工作, 設置驅動電流, 并完成對DAC 輸出電壓的控制,驅動恒流源模塊。同時,系統實時顯示并監測驅動電流,一旦沒有達到預設電流值,系統將采用位移式數字PID 算法,對誤差電流信號進行計算,輸出控制信號, 改變DAC 輸出電壓, 進而調節驅動電流的大小,最終使驅動激光器的電流穩定在預設值。利用該激光器驅動電源, 對中心波長為940.01 nm 的激光器做了驅動測試。
      
      在進行系統性能測試過程中, 為了消除電磁干擾,采用鋁制屏蔽盒將外部環境與系統隔離。激光器上電后,首先對其驅動電流的線性度進行測量。將激光器的工作溫度控制在25 ℃, 采用所研制的驅動電源,通過設置不同的控制電壓,觀測反饋通道的電壓變換情況,最終換算成電流變化。其測試結果如圖6 所示。
      
      結果顯示,系統輸出電流差值峰值為0.086 3 mA,線性度達到99.87%。
      
      實驗中, 進一步對所研制的驅動電源輸出電流的穩定度進行了實驗,結果如圖7 所示。
      
      實驗中, 預設驅動電流為100 mA, 長期測試(>220 h)結果平均值為100.mA,與均值相差最大電流為0.000 44 mA, 輸出電流的穩定度好于4×10-5A。
      
      實驗中采用中心波長為940.01nm 的激光器為驅動對象,根據器件的技術手冊,激光器激光發生的中心譜線的波長為940.01 nm。在驅動性能實驗中,采用THERMO4700 型傅里葉紅外光譜儀測量的激光器中心譜線如圖 所示。
      
      圖為使用中紅外傅里葉光譜儀測得的激光器的發射譜線, 其發光光譜為波數為940.01 nm,實驗中通過調節器工作溫度與驅動電流來實驗對其發射波長的控制,可以與氣體吸收峰匹配得更好。
      
      在近紅外氣體檢測領域中,針對激光器驅動電源高穩定性需求,文中介紹了采用模擬PI 深度負反饋環節和位置式數字PID 算法相結合,構成雙閉環反饋控制方法, 設計并研制了一種高穩定性激光器驅動電源。此外,該驅動電源具備防上電/斷電沖擊保護電路、延時軟啟動電路和過流保護電路等保護電路,保證了激光器長期穩定的工作。同時,利用該驅動電源, 對激光器做了驅動測試。結果顯示,其驅動電流線性度為99.97%,穩定度為4×10-5A,滿足實際指標的需求。
      
      作者:戰俊彤,博士生,主要從事光電測控方面的研究。
      
      論證實驗:聶小軍,碩士研究生,主要從事模數混合集成電路方面的研究。



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