基于ARM的高功率半导体激光器电源的设计

湖北工程学院物理与电子信息工程学院 赵 恒

基于ARM的高功率半导体激光器电源的设计

湖北工程学院物理与电子信息工程学院 赵 恒

为了提高高功率半导体激光器电源的人机交互性和智能性。本文采用STM32F107VCT6作为半导体激光器恒流源的主控芯片，选择了10M/100M的以太网交互，电源可以实现网络通信。电源能够提供自动的温度控制以及对半导体激光器的保护。电源的最大输出电流为70A。

STM32F107VCT6；恒流源；人机交互

0 引言

高功率半导体激光器由于其卓越的性能被广泛的应用于许多工业领域。然而半导体激光器对温度和电流波动非常敏感，电源的设计对于半导体激光器的表现非常重要。

本文设计了基于ARM芯片，具有智能控制功能的驱动电源。系统由两部分组成。一部分是基于STM32F107VCT6的控制系统，另一部分是电源的拓扑电路。10M/100M的以太网接口被用于控制系统中。基于UC/OS II的操作系统被用于驱动电路的管理。本文同时设计了基于LABVIEW的人机交互界面。硬件电路包括基于电流负反馈控制的恒流源输出模块，基于TEC的冷却温度自动控制模块。

1 高功率半导体激光器的结构

图1所示为半导体激光器电源的结构。STM32F107VCT6能够通过TIM_ARR和TIM_CCR产生需要的PWM波。PWM信号通过频率调节，滤波器以及放大器后进入后面的硬件电路。PWM波的输入接恒流源的输出采样。STM32F107VCT6同样可以控制电路工作与输出直流可调电路。同时输出电流可以才LCD上进行显示。DS18B20被用于实时监测半导体激光器的温度，温度信号通过STM32F107VCT6在LCD上实时显示。激光器通过TEC进行冷却。STM32F107VCT6与上位机之间的通信通过以太网接口完成。

Figure 1.Structure of the semiconductor laser power supply

2 基于恒流源的电路设计

恒流源电路采用了MOSFET作为开关器件，同时为了提高系统的热耗散能力以及输出电流的能力，电路采用了三个MOSFET并联工作的模式[1][2][3]。图2为恒流源电路的PSPICE仿真图。输出电流Iout通过采样电阻Rs转换为电压Vs。Vs通过U7A放大输入Vf，同时Vs也被输入到STM32F107VCT6做后续信号处理。U7B作为电压缓存器用于降低信号干扰。U6B作为高增益的差分放大器用来比较Vf和Vin信号。输出电流Iout1，Iou2，Iout3通过M1，M2，M3进行调节。Iout用下式表示：

Iout通过闭环回路控制保持恒定。Iout可用如下等式表示：

Figure 2.PSPICE circuit of constant-current output

电源的工作模式可以通过Vin在连续和非连续模式下切换，通过M4实现过流保护功能。Vset将输出电流限定在设定值。

Figure 3.Vset=9.5V，Vin varies from 0V-10V

3 结果和分析

本设计选用PSPICE仿真软件模拟恒流输出电路(如图2所示)。模拟结果验证了公式(5)的对应关系。当Vin为直流输入时，电源工作在连续模式，模拟结果显示当Vin在0V-10V变化时，Iout最大输出可以达到70A，如图3所示。Vset设定为9.5V，用于保证Iout不会过流。图4显示当Vset设定为5V时，输出电流Iout在0A-36.8A之间变化。所以恒流输出电路对于过流保护起着非常重要的作用。

当Vin为脉冲信号时，电源工作于非连续模式，Iout是脉冲电流，其脉冲频率由STM32F107VCT6设定产生。输出峰值电流由Vin决定。

Figure 4.Vset=5V，Vin varies from 0V-10V

[1]STM32F107VCT6．Data sheet PDF,2011．

[2]Ying Zhang．Design of semiconductor laser power supply[J]．Digital Technology and Application,vol．8,pp．138-139,2014．

[3]Zhao Cui and Meng Gao．Design of Data Collection and Communication System Oriented on Ethernet by using US/OS II and ARM[J]．Computer Measurement&Control,vol,16(2),pp．273-275,2008．

Design of high power semiconductor laser power supply based on ARM

In order to improve the intellectuality and human-machine interaction of high power semiconductor laser power supply，STM32F107VCT6 is used as master controller in the constant-current source system of semiconductor laser.By using the 10M/100M Ethernet interface based on STM32F107VCT6，the power supply can achieve network communication.At the same time，the power supply system provides automatic temperature control and protection for semiconductor laser.The result shows that the power supply can work in continuous wave(CW)and quasi-continuous wave(QCW)modes，whose maximum output current is 70A.

STM32F107VCT6；Constant-current source；Human-machine interaction