可调频信号控制的光纤激光器驱动电路设计

张雪莲，黄榜才，张 鹏，李 岩，王晓龙，张培培，龙润泽，韩桂云，王 宽，梁小红

(中国电子科技集团公司 第四十六研究所，天津300220)

可调频信号控制的光纤激光器驱动电路设计

张雪莲，黄榜才，张 鹏，李 岩，王晓龙，张培培，龙润泽，韩桂云，王 宽，梁小红

(中国电子科技集团公司 第四十六研究所，天津300220)

为实现大功率光纤激光器的智能化控制，提出一种由外围信号控制激光器输出功率大小的驱动电路设计。系统以STM 32F407ZG为主控芯片，通过调节外围信号的频率与幅度来控制激光驱动电流的大小，从而达到对激光输出功率的控制。整个系统能对激光器泵源温度及电流实时监测并保护，电流输出精度可达到±0.01A，保证了激光器稳定、可靠地工作。

大功率；STM 32F407ZG；频率与幅度；实时监测

0　引言

随着光纤制造工艺与半导体激光器生产技术的日趋成熟，光纤激光器已经应用于诸多领域[1]。光纤激光器由泵浦源、增益介质和谐振腔三个基本要素组成。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发发射，所产生的自发发射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出[2]。由于光纤激光器由驱动电流直接调制输出参数 （频率、脉宽、脉冲波形及功率大小），实现不同强度光输出，使得对电流、温度有着极高的要求[3]，因此设计一套能精确控制激光器工作电流输入，并能对电流和温度变化实时检测的高效、智能化系统十分重要。本文通过调节外围信号频率和幅度来控制激光驱动电流的大小，从而达到对激光功率输出模式的控制。

1　外围信号

外围控制信号的模式有连续输入和脉冲输入两种，使能信号均为0～24V直流DC。在连续模式下，调制信号幅值为24V直流信号；在脉冲模式下，控制信号频率为0～5kHz，幅度为0～24V，占空比Duty为0～100%。外围信号类型、模式与激光器功率控制关系如表1所示，当0～10V模拟电压输入时，激光输出功率为0～100%，电流为0～20A。

表1　外围信号与激光器功率控制关系

2　总体方案设计

本系统主要分为三个部分：光纤激光器工作电流驱动、采集及过流保护模块；光纤激光器温度采集及保护模块；主控模块与上位机通信模块。总体方案设计流程如图1所示，整个系统通过主控芯片STM32F407ZG及其外围控制电路结合外围信号的产生与中断，实现激光器平均功率、峰值功率、脉冲频次和脉冲宽度等参数的调节。主控模块主要负责控制光纤激光器电流传输及通过传感器采集温度信号，并将采集到的电流及温度对应的电压信号经STM32F407ZG内部PID算法处理后，通过串口MAX3232与上位机通信，实现对温度及电流信号的实时监测及保护。本设计的主控芯片是意法半导体ST公司以ARM CortexTM-M4为内核专门开发的最新嵌入式处理器，支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型的单精度浮点单元（FPU），主频高达168MHz，可提供3个12位ADC、2个DAC、1个低功耗RTC、15个通讯接口，广泛应用于控制及信号处理功能混合的数字信号控制系统[4]，满足本设计要求。

图1　总体方案设计流程图

3　电路基本工作原理

3.1电流控制模块设计

电流驱动控制模块[5]设计如图2所示，外部输入0～10V模拟电压经隔离滤波和分压后，送入主控模块STM32F407ZG自带的模数转换器ADC计算出对应值PD0～11，再经12位数模转换器TLV5619处理后输出恒流源所需模拟电压信号0～2Voutput，即，此处由基准源TL431提供参考电压REF，因此0～2V输出由外部输入的PD0～11大小code决定。为更好地提高光纤激光器工作性能，由外围信号及主控模块联合控制多路模拟开关LV4051的导通而输出模拟电压信号0～2Voutput，同时为抑制噪声对模拟和DA变换电路的干扰，提高DA转换精度，外部使能EN和调制信号MC的输入采用高速光耦6N137隔离输出EN_C和MC_B，避免了信号的延迟或变形。

图2　电流控制模块电路图

3.2恒流源及过流保护模块设计

本文在基本恒流源[6]的基础上设计了高精度、稳定的自适应恒流源，如图3所示，通过控制功率MOSFET管Q1、Q2的导通为高功率光纤激光器提供工作所需大电流I，并采用小阻值康铜电阻RS1来降低大电流产生热量。图3中DA-U是控制模块提供的0～2V输入，调节VR1可得到0～20A任意工作电流值I，此时。同时将电流反馈回Q1、Q2基极，比较器LM2902N(U1B)根据反馈电流大小自适应调节输出，提供稳定基极电压，保证了最终输出电流的稳定。

图3右边部分为过流保护模块，调节VR6使电流I的最大报警限值为VR70，以设定最大工作电流对应电压为VA1；若VRS1超过VR70，则VA1即超过2.5V，比较器LM2902N输出高电平S1使场效应管2N7000导通，从而拉低基极电压中断光纤激光器工作电流输出；同时，主控模块采样电压VA1，并根据其值判断过流与否；过流，则下发信号SW，中断工作电流，提高了系统工作安全性能。

图3　恒流源及过流保护模块电路图

3.3温度控制模块设计

图4　温度控制模块电路图

4　主控模块软件设计

电路主控模块软件设计如图5所示，上电，初始化完成嵌入式系统包括串口、I/O口、内部ADC、时钟及中断等配置[8]，接入外围信号，选择调制信号MC的频率、幅度及占空比，开使能信号EN(0～24V)及0～10V功率控制信号DA_IN，主控模块与上位机通信判断激光器光源工作模式。若为内部模式，则进行相应配置，此处暂不介绍；若为外控模式（即外部可调频信号控制）且激光器当前工作状态正常，主控模块对外控功率分析处理后输出0～2V电压，控制恒流源模块产生0～20A电流。同时，采集激光器当前工作电流及温度送上位机实时显示监测，并根据采集数据完成相应的控制：若工作电流过大，则产生报警信号，主控模块STM32F407ZG收到报警信号则关LV4051，并下发控制信号SW使恒流驱动模块停止输出工作电流；若工作过程中激光器温度过高，则产生报警信号T1_CMP= 0，同理让主控模块关LV4051，并下发SW，阻止了激光器的损坏，提高系统工作性能。

图5　STM32F407程序流程图

5　实验结果

外围信号控制激光器工作于脉冲模式时，设定调制信号MC的频率为5kHz，幅度为0～5V，50%占空比duty；输入功率100%，即DA_IN=10V；使能为24V，主控模块接收外围信号处理后启动激光器工作，此时输出的0～2V功率控制信号Voutput波形如图 6所示。Voutput=2V×duty×(10DA_IN)%，因此调节 MC信号及DA_IN可以控制输出不同功率，按设定有2V×50%× 100%=1V，即图6中平均值。同理，外围信号控制激光器工作于连续模式时，调制信号MC为24直流DC，则Voutput=2V×(10DA_IN)%。

连续模式，激光器100%功率工作时电流为9.6A，最高温度为26.6℃。图7为上位机连续采样到的100个电流（步进5min）及温度值曲线图，从图中可以看出，激光器工作时实时监测温度稳定；输出电流波动小，精度为±0.01A。

图6　功率控制信号Voutput波形图

图7　电流及温度实时监测曲线图

6　结束语

我们通过以上实验证明，本文中的设计电路结构简单、转换效率高、性能稳定，能精确控制光纤激光器输出功率，并能对电流、温度变化实时监测和保护。电流输出精度可达到±0.01A，负载激光器工作温度稳定符合要求，本设计已成功应用与大功率光纤激光器驱动电路系统。

[1]黄榜才.高功率全光纤激光器及放大器中关键问题的研究[D].天津：南开大学,2008：26-27.

[2]段云锋,黄榜才,张鹏,等.全光纤结构的脉冲光纤放大器[J].中国激光, 2007,34(10)：1379-1382..

[3]任军江,朱源,陈钱龙,等.温度对光纤强度特性影响的初步研究[J].光纤与电缆及其应用技术,2014,1(1)：8-9.

[4]STMicroelectronics website.The whole STMicroelectronics STM32TMfamily[EB].(2013-6-4)[2015-12-15].http://www.ic37.com/STMICROELECTRONICS/STM32F405IGT6_datasheet_12724191/.

[5]董阳,陈海燕,程昌彦，等.低功率 980nm波长半导体激光器驱动电路设计[J].现代电子技术，2014,37(13)：119-121

[6]钟乃元,高飞.大电流高精度恒流源[J].电子测量技术,2007,30(9)：177-178.

[7]SHI S G,SHI X.The temperature control system based on digital PID and potentiometer[J].Journal of Wuhan Polytechnic University,2005,3(1): 31-34.

[8]曾浩.基于STM32F407的嵌入式机器视觉装置研发[D].番禺：广东工业大学,2015：38-60.

Design of fiber laser driver circuit controlled by adjustable signal

ZHANG Xue-lian,HUANG Bang-cai,ZHANG Peng,LI Yan,WANG Xiao-long, ZHANG Pei-pei,LONG Run-ze,HAN Gui-yun,WANG Kuan,LIANG Xiao-hong
(The 46th Research Institude of CETC,Tianjin 300220,China)

In order to achieve the intelligent control of high power fiber laser,this paper presents the design of fiber laser driver circuit.The system takes STM32F407ZG as the main control chip.the laser driven current controls by adjusting the frequency and amplitude of the peripheral signal,so as to control the laser output power.It can acquisition and protect temperature and current of the laser pump in real time.The output precision of the current can reach±0.01A,which ensures the stability and reliability of the laser.

highpower,STM32F407ZG,frequency-amplitude,acquisition

TN86

A

1002-5561（2016）05-0059-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.018

2015-12-28。

天津市科技支撑计划国际科技合作项目（14RCGFGX00852）资助。

张雪莲（1989-），女，助理工程师，主要从事光纤激光器驱动电路的研究。