摘 要

随着科学技术的飞速发展，半导体激光器也越来越广泛地应用于各种工业以及高新技术产业等领域。半导体的特点为：可靠性能好、效率高、体积小、能够直接调制并且能与其他半导体器件集成。但是，半导体激光器对电冲击的承受能力相当的差，对微小的电流变化都能够感知并且使得输出的波长和功率变化。与此同时，半导体激光器对温度的变化也很敏感。因此，半导体激光器的供电电源非常的重要。本文是以DSP中比较常用的微处理器TMS320F28335为控制核心，主要利用了DSP芯片的高运算能力以及其专门用于控制领域的丰富外设，将数字控制所需的微处理器功能集中到一块芯片上。与目前的半导体激光器的供电电源系统相比，其硬件数量大大地减少，并且提高了集成度。

论文主要研究了可编程直流电源的主电路，即AC/DC/AC/DC变换电路。并且对控制核心TMS320F28335作了简要介绍。最后选择了相关的检测元件并设计了对应的检测电路。

研究结果表明：所设计的为半导体激光器供电的可编程电源的主电路，其输出的直流电流与直流电压，效果非常好，基本能够达到设计的要求。检测电路在理论上能够有效的检测被测量量。

本文的特色：本文可编程直流电源的主电路主要是AC／DC／AC／DC组合式开关电源。本文以电源系统为仿真对象，运用MATLAB模型，采取PID算法进行电流、电压闭环控制。结果表明，该方案的输出电流、电压波形质量好，性能满足要求高。

关键词：AC/DC/AC/DC；MATLAB；PID；检测电路；半导体激光器

Abstract

With the rapid development of science and technology, thesemiconductor laser had been widely applied in lots of fields such as industy, high-tech and science research. Semiconductors’ features are: high reliability, high efficiency, compact size, direct modulation and can be integrated with other semiconductor devices. Semiconductor lasers, however, can be hardly bear the electrical surge, tiny current changes are able to perceive and ignore the output wavelength and power changes. At the same time, the semiconductor laser is also very sensitive to temperature shift. Therefore, the semiconductor laser power supply is very important. Which are frequently used in this thesis is based on DSP microprocessor TMS320F28335 as control core, taking advantage of the DSP chip’s high calculating ability and the abundant external facilities that are especially used for control yield ,we can integrate the microprocessor function for digital control, the perichery circuits into a piece of chip .Compared with current semiconductor laser power supply control system ,the hardware quantity is consumedly reduced ,and the integration degree is improved in this system.

Thesis mainly studied the programmable DC power main circuit, the AC/DC/AC/DC conversion circuit. And it makes a brief introduction of the control core TMS320F28335. Finally chose relevant detecting element and the corresponding detection circuit is designed.

The results show that the designed for semiconductor laser power supply of the main circuit of programmable power supply, the output of the DC current and DC voltage, the effect is very good, and basicly meet the design requirements. Detection circuit can effectively be measured quantity in theory .

The characteristic of this thesis is: the main circuit of programmable DC power supply is mainly AC/DC/AC/DC modular switch power supply. Based on the power system as the simulation object, using the MATLAB model, adopting PID algorithm is current, voltage closed loop control. Results show that the scheme of output current and voltage waveforms are of good quality and high performance meet the requirements.

Key words: AC/DC/AC/DC, MATLAB; PID; Detection circuit; Semiconductor laser

目 录

第1章 绪论 1

1.1 半导体激光器的原理 1

1.2半导体激光器电源系统的要求 1

1.3半导体激光器电源系统的现状 2

1.4本课题研究的目的与意义 3

1.5本论文的结构和内容 3

第2章 主电路拓扑及控制原理 5

2.1电源简介 5

2.2主电路的工作原理 5

2.3主电路在MATLAB/Simulink中的建模与仿真 6

2.3.1主电路的仿真模型 6

2.3.2主电路仿真结果及分析 8

2.4本章小结 11

第3章 控制核心的选型与检测电路的设计 12

3.1DSP简介及特点 12

3.2 DSP选型要求 12

3.3检测电路的构成与原理 13

3.3.1信号采集电路 13

3.3.2放大环节 15

3.3.3限幅环节 16

3.3.4一阶有源低通滤波环节 17

3.4电压检测电路的结构与计算 18

3.4.1电压检测电路的元件选型 18

3.4.2电压检测电路的参数计算 19

3.5电流检测电路的结构与计算 20

3.5.1电流检测电路的元件选型 20

3.5.2电流检测电路的参数计算 20

3.6温度检测元件的选择 21

3.6.1DS18B20简介 22

3.6.2DS18B20原理 22

3.7本章小结 23

第4章总结与展望 24

4.1本文的主要工作总结 24

4.2后续研究工作的展望 24

参考文献 26

致 谢 28

绪论

本课题的核心是研究半导体激光器的供电电源，即可编程直流电源。本次研究课题共分为七个方向，分别为：1、可编程直流电源主电路及功率与元件驱动；2可编程直流电源DSP控制系统（包括DSP电路板硬件设计）；3、可编程直流电源高频变压器；4、可编程直流电源通信方式与通信软件（通信方式包括RS485和CAN，完成与主机的通信与显示功能）；5、可编程直流电源控制方式与控制策略（包括恒流限压、限制超调、设备保护等功能的控制）；6、可编程直流电源检测元件与检测电路；7、可编程直流电源显示与操作系统（包括七段式数码管显示及屏显两种设计方案）。本论文研究设计其中的一个分支，即可编程直流电源的检测元件与检测电路。本课题研究的可编程直流电源主要是半导体激光器的供电电源。采用的是基于DSP控制方法。其中主电路是AC/DC/AC/DC的拓扑结构。检测电路测量的参数主要是电压，电流和温度。

1.1 半导体激光器的原理

半导体激光器是一种光电子器件，在电流注入的条件下能够发出波长基本相同、相位相同且强度较大的相干辐射光。半导体的基本工作原理是：先是由源区的载流子形成反转分布，即所谓的导带中拥有电子，并且对应的价带中留有相应的空穴，导带中的电子会向下跃迁至能量较低的价带中与空穴发生复合，随后就会出现受激辐射而产生光子。最终由于谐振腔的反馈作用，从而产生激光。半导体激光器的激励方式主要有三种，分别为: 光泵式、高能电子束激励式和电注入式。半导体激光器工作的三要素为：1、必须要有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，从而使得受激辐射光子增生，而产生激光震荡；2、受激光辐射，要能够产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数远远地大于处于低能态的粒子数; 3、增益大于等于损耗，需要满足一定的阀值条件，从而能够使得光子增益等于或大于光子的损耗^[1]。

激光器又被称为激光，它是用半导体材料为其工作物质的激光器。它的特点是：体积小、效率高、重量轻、能够与半导体制造技术兼容、可进行大批量的生产、驱动电流和功率比较的低、可以直接调制、工作的寿命较长、并且易于各种光电子器件实现光电子集成。

1.2半导体激光器电源系统的要求

半导体激光器驱动电源的质量和相关的技术指标直接关系到激光器的输出功率、效率和寿命。不符合要求的半导体激光器驱动电源会导致半导体激光器的各项性能指标迅速恶化乃至整体失败。因此，半导体激光器对其供电电源的要求比较高。半导体激光器对其供电电源的要求是：

1. 对纹波系数的要求比较的特殊，要求其能够有效地减小电网污染和抑制相应的谐波干扰;
2. 注入的电流稳定性对激光器的输出有直接、明显的影响，因为半导体激光器主要是依靠载流子直接注入而工作的。因此，必须要求半导体激光器的供电电源是恒流源，该供电电源必须具备很高的电流稳定度以及很小的纹波系数，要不然会直接影响半导体激光器的波长以及输出功率的稳定性;
3. 半导体激光器对电冲击的承受能力相当的差，尤其是大功率半导体激光器。大功率的半导体激光器的工作电流可以达到几十安以上，主要是因为它是一种结型器件。实际上，稳流电源的输出除了与设定的电压有关外，还要受到各种因素的影响，比如：环境温度、负载电压、输出电压以及噪声电压。因此，在半导体激光电源中，必须具有保护电路和特殊的抗电冲击措施，使得半导体激光电源具有较高的抑制瞬态电流或电压尖峰的措施和相应的抗干扰能力^[2]。

由于半导体激光器的广泛应用，其相应的半导体激光器供电电源也要不断地发展与完善。因为半导体激光器是一种属于超高功率的精密器件，它具有很高的电压和电流稳定不变性。在以往的半导体激光器供电电源系统中，其保护措施比较复杂，可移植性很差，不容易进行推广。虽然海外的一些性能较好的半导体激光器供电电源采用了相对比较完善的保护技术，但是它们价格比较昂贵，性价比比较高。

1.3半导体激光器电源系统的现状

半导体激光器供电电源的控制系统是整个电源系统的核心，其功能的好坏与功能的强弱会直接影响到半导体激光器的性能。就目前的研究情况而言，完成电源的控制电路在结构上主要分为三类：一类是模拟控制，其基本设计思想是：采用相应的分立元件或者是中小规模集成电路组成的相应模拟调节器来调节电源的输出电压、电流和功率。其主要的缺点是：电路结构比较复杂、并且参数的整定需要改动外接阻容参数，而且现场调试也比较麻烦。二类是部分数字化控制系统，它的控制核心则为单片机。由于其核心单片机的功能和速度的限制，使其只能完成控制方程的计算，而且不能够完成大量的计算任务和实时控制的任务。三类是本研究课题系统所采用的以DSP为核心的控制系统，高运算能力以及专门用于控制的领域的丰富外设，将数字控制所需的微处理器集中到一个芯片中是本次研究中利用DSP芯片的主要方向。与目前的半导体激光器的供电电源系统相比，它使得硬件电路大大简化，又可采用一些比较先进的控制方案来提高精度，同时也提高了整个系统的可靠性^[2]。

1.4本课题研究的目的与意义

如今，信息技术已经成为当今全球的战略技术。以光电技术和微电子技术为基础所支持的通信和网络技术已经成为了高科技的核心。其中，半导体又起着举重若轻的作用。