半导体激光电源的全数字化设计及抗干扰研究

论文摘要

随着半导体激光器的迅猛发展及广泛应用,激光器电源作为激光器装置的重要组成部分,其发展也受到业界的广泛重视。与模拟半导体激光电源相比,数字半导体激光电源因具有很好的灵活性、控制的稳定性和支持远程控制能力,将逐渐取代模拟半导体激光电源,成为半导体激光电源的主流。本文在深入分析半导体激光器应用背景的基础上,结合开关电源的基本原理,以DSP数字控制芯片为核心,利用数字PID算法及各种抗干扰技术,为半导体激光器设计出一种全数字化控制、大电流输出、小电流纹波系数以及高稳定度的数字激光电源。本文首先根据激光电源的数字化要求,详细介绍了全数字化设计方案,包括采用的主电路方案和软件实现方案。然后按照开关电源的设计步骤,设计并制作了半导体激光电源的主回路电路、保护电路、控制电路等。其次设计了DSP控制软件以及上位机软件。为满足数字化控制的要求,本文还在深入了解PID控制算法的基础上,对半导体激光电源的控制回路进行建模,用MATLAB工具对系统进行了仿真,从而为数字PID控制参数的选取提供理论依据。接着从电源的外部干扰和内部干扰两个角度分析了半导体激光电源的电磁兼容环境,在电路设计上对电源加强了抗干扰措施。特别地,本文基于半导体激光器伏安曲线的特殊性,分析了电源在开关机时产生的浪涌电流,提出了一种抑制开关机浪涌电流的软件抗干扰技术。最后,本文以图表形式展示了全数字激光电源的纹波系数和控制精度,从而很好地证明了全数字半导体激光电源的可行性与可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 数字半导体激光电源的研究现状
• 1.3 本文的研究内容及组织结构
• 2 半导体电源的全数字化设计方案
• 2.1 全数字化设计方案
• 2.2 全数字半导体激光电源的主回路方案
• 2.3 全数字半导体激光电源的软件方案
• 2.4 本章小结
• 3 全数字半导体激光电源的硬件设计
• 3.1 半导体电源的硬件系统设计
• 3.2 主回路电路设计
• 3.2.1 主回路
• 3.2.2 电网滤波电路
• 3.2.3 MOS 驱动电路
• 3.2.4 反馈和保护电路
• 3.3 DSP 控制电路设计
• 3.3.1 DSP 供电电源电路
• 3.3.2 DSP 芯片电路
• 3.3.3 保护电路
• 3.3.4 A/D 转换电路
• 3.4 本章小结
• 4 全数字半导体激光电源的软件设计
• 4.1 数字PID 控制参数建模与设计
• 4.1.1 PID 控制原理
• 4.1.2 半导体电源数字PID 参数建模与设计
• 4.2 DSP 软件设置
• 4.2.1 A/D 采样设置
• 4.2.2 PWM 输出设置
• 4.2.3 I/O 口设置
• 4.2.4 中断设置
• 4.2.5 串口通信设置以及通信协议
• 4.3 DSP 软件设计
• 4.3.1 控制主程序设计
• 4.3.2 中断服务子程序设计
• 4.4 上位机程序设计
• 4.5 本章小结
• 5 全数字半导体激光电源的抗干扰研究
• 5.1 干扰对数字半导体激光电源负载的影响
• 5.2 全数字半导体电源的干扰分析
• 5.2.1 外界电磁干扰
• 5.2.2 电源内部的电磁干扰
• 5.3 硬件抗干扰技术
• 5.3.1 EMI 滤波
• 5.3.2 屏蔽技术
• 5.3.3 接地技术
• 5.3.4 PCB 的抗干扰设计
• 5.4 软件抗干扰技术
• 5.4.1 全数字半导体激光电源的负载特性干扰问题
• 5.4.2 数字PID 控制的最大占空比参数
• 5.4.3 软件抗干扰原理
• 5.5 本章小结
• 6 结果与分析
• 6.1 全数字半导体激光电源实验样机
• 6.2 软件抗干扰分析实验以及分析
• 6.3 全数字半导体电源的纹波测试以及分析
• 6.4 全数字半导体电源的控制精度测试以及分析
• 6.5 全数字半导体电源的效率测试以及分析
• 6.6 本章小结
• 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录一 参与的科研项目以及结题证明
• 附录二 攻读硕士学位期间撰写的论文