专家讲解：电源管理电路设计详解
品慧电子讯作为二极管泵浦全固态激光器的重要组成部分的电源，其可靠性、稳定性也就显得格外重要。二极管泵浦全固态激光器的电源功率较大，输出为大电流、低电压，工作脉冲频率较高，输出电流、电压的稳定性要求很高。微小的电流扰动将影响激光器的出光质量，不当的保护可能引起巨大的损失。 随着二极管泵浦全固态激光器相关技术的不断发展，它在工业、国防科研、生物医学工程等领域的应用越来越广泛，对其输出功率、可靠性要求也不断提高。作为二极管泵浦全固态激光器的重要组成部分的电源，其可靠性、稳定性也就显得格外重要。二极管泵浦全固态激光器的电源功率较大，输出为大电流、低电压，工作脉冲频率较高（可达1kHz），输出电流、电压的稳定性要求很高。微小的电流扰动将影响激光器的出光质量，不当的保护可能引起巨大的损失。针对这些特点，我们选择功能强大的电源管理芯片MAX1647作为整个系统控制的核心部分，设计出完全满足要求的大功率激光器电源。 MAX1647电源管理芯片介绍 MAX1647是MAXIM公司的新型电源管理芯片，其内部结构如图1所示。它包括两个调整环，即一个电压调整环与一个电流调整环，实现恒流与恒压功能及相互之间的自动转换；并采用INTEL系统管理总线（SMBUS）接口，其中内部有一个6位和一个10位的D/A转换器分别用于电流和电压的预置；另外，MAX1647提供了最大为4A的电流输出。
图1 MAX1647的内部结构
在MAX1647的电压调整环中，通过SMBUS总线，经内部10位DAC设置预置电压，负载电压与预置电压通过GMV误差放大器进行比较放大后的误差信号输出到CCV端口，然后送到一个由二选一电路组成的恒流/恒压自动转换电路的一个端子上，其中由CCV端口输出的误差信号由内部钳位电路限制在1/4到3/4参考电压之间的；与电压调整环工作原理相类似，被钳位的电流误差信号由CCI端口送到自动转换电路的另一个端子上；利用PWM控制器，把电压/电流误差信号转换为脉宽调制信号，用以驱动两个N沟道MOSFET管，经同步整流、滤波器滤波后，得到所需的输出信号。
MAX1647的输出特性曲线如图2所示，当输出电压小于预置电压V0时，电流调整环发挥作用，输出是恒流模式；当负载的电压到达预置电压 V0以后，电流调整环停止作用，电压调整环开始工作，这时输出为恒压模式。恒流模式时，CCV端口输出的电压误差信号被钳位在CCI端口最小电压值 80mV以上，这样即可防止更新预置电流值时负载电流溢出，又可防止从恒流模式转换为恒压模式时，出现过冲电现象。在恒压模式时，钳位电路也可起到相类似的作用。
整体电路设计
整体电路设计框图如图3所示。
图2 整机电路框图
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从图4可见：89C51与MAX1647通信的开始条件是SDA端口为下降沿，同时SCL端口为高电平；MAX1647的 WRITE－WORD协议为0b00010010（0b表示二进制），或者可表示为0x12（0x表示十六进制）；READ－WORD协议则可表示为 0b00010011或者0x13。另外，CMD0～CMD7代表具体的命令，D0～D15表示数据位。几个常用的WRITE－WORD协议命令：ChargerMode（）命令，命令代码为0x12，主要用于清零和复位；ChargingVolage（）命令，命令代码为0x15，主要用于电压预置；ChargingCurrent（）命令，主要用于电流预置，命令代码为0x14，即CMD7～CMD0的数据为00010100，16位二进制数值由D15～D0组成表示Io的电流值，单位为mA。当端子SEL与AGND短接时，电流Io的最大预置值为1.023A；如果让端子SEL悬空，则 Io的最大预置值为2.047A；当端子SEL与VL短接，则Io的最大预置值为4.095A。MAX1647提供两个电流源给负载供电：一个来自内部的线性电流源IOUT，一个是开关电路提供的电流。IOUT提供1mA～31mA的电流（步长为1mA）。例如，当Io最大预置值为4.095A时，数据位 D11～D6对应为6位电流预置DAC的DA5～DA0位；数据位D4～D0对应输出电流IOUT的I4～I0，表示IOUT线性电流源二进调整数。注意任何时候DAC位被置位，线性电流源被调整至满幅（31mA）。AlarmWarning（）命令，命令代码为0x16，主要用于保护设置；ChargerStatus（）命令，命令代码为0x13，主要用于返回温度传感器以及MAX1647的内部信息，这些信息暂存D15～D0位中。
图4 89C51与MAX1647应用电路图
为了满足SMBUS的通信规则，用单片机P1口的其中两位分别模拟数据信号SDA和时钟信号SCL，89C51的P1.1口与 MAX1647的SCL端子连接，P1.0口与MAX1647的SDA端子连接。电路如图5所示，其中：高频电感L1用粉末铁心，外加粗线线圈绕制而成。利用MAX1647与89C51组成控制电路的核心部分，采用改进型线性结构设计的大功率激光器电源，由于MAX1647具有恒流、恒压及相互之间自动转换的功能，一方面，克服了完全用单片机控制带来的响应速度慢、恒流恒压特性差、可能出现死机的缺陷；另一方面，又避免了纯硬件控制带来的复杂性，提高了电源的智能性。在激光打标系统中的应用，证明了该电源不仅高效、安全、可靠，而且大大提高了整个系统的智能化程度。<上一页12
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