SLED控制系统电路设计与研究

时间:2015-07-15

  采用“数控恒流源+高温控”的方案,设计了SLED控制系统,并且在系统内引入了PID 控制算法。通过多次试验表明,SLED光源可以显著提高光源出纤光功率的稳定性。数字控制方法是目前比较理想的驱动方案,具有较好的发展前途。系统主要实现了恒流驱动及恒温控制等功能。整个系统由单片机控制。单片机采用MSP430($2.0250)系列的F449单片机,它其集成12位ADC和采样保持电路,采样速度快,可达200ks/s。系统原理如图1所示。


  恒流源电路
  系统对恒流源的要求是电流高度稳定,漂移和噪声足够小。采用高DAC作为恒压源,再通过V-I转换电路就构成了数字式恒流源,电路原理如图2所示。本系统采用美信公司的12位串行DACMAX5812($3.1702)结合两个运放组成V-I转换电路。其中,MAX5812与单片机的通信采用串行I2C总线,需注意的是其SDA、SCL管脚在使用时要外接上拉电阻。


  该恒流源克服了模拟式恒流源的缺点,可以根据系统需要灵活地改变电流的大小,且其与稳定度与DAC有关,如果采用更高位数的DAC就可以做成更高的恒流源。
  温度采样电路
  该光源模块组件采用温敏电阻来反映管芯温度,温度采样电路如图3所示。采用电阻桥式电路,后面配合专用的桥式放大芯片和电压调理转换电路,将温敏电阻变化引起的电压变化转化为适合于单片机ADC输入的量程范围内。


  电路中桥式放大器采用了美信公司的MAX4194($2.4725)。它是一种微功耗、单电源、满摆幅、精密、增益可调的仪表放大器,非常适合于做桥式放大器使用。但MAX4194的输出电压范围不适合MSP430F449($4.9500)单片机的输出量程,后面还需要加上信号调理电路,将信号调整到0~2.5V的输入电压范围。MSP430的ADC基准有片内和片外两种。虽然选用片内基准就可以不外接,减小电路的复杂程度,但因为所需的转换较高,且片内基准的温度系数较大(100×10-6/℃),这里选用了比较高的片外基准电压源MAX6173($2.7907)。它的输入电压为4.5~40V,输出电压为2.5V,温度系数为3×10-6/℃,可以达到设计要求。
  TEC控制电路
  TEC控制器按输出的工作模式可分成线性和开关两种。传统SLED的温度控制大多采用线性模式的TEC控制器,一个简单的线性驱动 TEC电路由两个推挽功率三极管构成,虽然具有电流纹波小且容易设计和制造的优点,但功率效率低,控制不高,电路集成度较低,而且存在温度控制“死区”问题。MAX1968($10.1714)是一款适用于 Pehier TEC模块的开关型驱动芯片,工作于单电源,能够提供±3 A双极性输出,采用直接的电流控制。MAX1968用于设定和稳定TEC的温度,每个加载在 MAX1968电流控制输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC对SLED供热或制冷。SLED的温度由温度采集电路采集后,再经内部单片机运算后反馈给MAX1968,用于调整系统回路和驱动TEC工作。


  图4为SLED温度控制电路原理图。在电路中,MAXIP和MAXIN引脚的电压用来控制流过TEC的正向和反向驱动电流,MAXIV 引脚的电压用来设置TEC的驱动电压。通过一个分压电路来实现各个引脚电压的设定,如图4所示。CS和OS1引脚之间的电阻RSENSE用来设置流过 TEC的工作电流,这里选用了200mΩ的电阻。当VCTLI》1.5V时,MAX1968制冷,反之制热。在实际应用中,根据驱动不同的 SLED光源组件,合理设置参数即可。系统中主控回路采用负反馈,将温度传感器输出的电压与给定电压比较,所得误差值经PID控制算法处理后,经过DAC,送入MAX1968,以控制 TEC上的电压、电流的大小和方向,进而实现制冷或制热。
  键盘和显示电路
  键盘采用3键式独立按键,可以实现对PID控制算法三个参数的设置以及报警等功能的设计。由于MSP430的P1口具有中断功能,因此键盘软件的编写采用中断的方式来实现。显示电路采用RT1602C,这是一种能同时显示16×2个字符的液晶,内部存贮有常用的点阵字符图形,方便易用。由于是5V电压操作,而MSP430单片机在3.3V工作,因此采用了一个电平转换芯片SN74LVC4245DB来完成转换。
  编辑点评:
  系统中,电桥电路对温敏电阻进行电压采样,送入ADC进行转换,再经过内部的PID控制程序,通过DAC2输出一个电压来控制专用的半导体制冷器(TEC)控制芯片,以达到对SLED进行温度控制的目的。恒流功能由DAC1结合恒流源电路来实现。

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