（电磁场与微波技术专业论文）恒流源设计与实现及网络数据备份容灾系统研究.pdf

中文摘要 课题工作内容主要分为：外腔半导体激光器用懒流电路的设计与实现和然于 网络的逡程数据备份容灾方案两大部分。蠖溅源设诗课题是为智能外腔半导体激 光器稳频系统提供了恒流驱动功能。远程数据备份容灾方案为网通集团提供了一 套基于网络构建的远程数据备份容灾的解决方案。 在外腔半导体激光器的设计和实现中，整个可调谐半导体激光器中核心部分 为商精度的半导体激光器( ) ，激光器是很敏感的部件，对其驱动电源的要求 十分严格，需要在一定范围内可以调节，并且不随负载的阻抗特性变化而影响驱 动电流大小。同时半导体激光器是很脆弱的部件，在电源开启关闭时受快速电压 波动影响，工作过程中受电压、电流的浪涌影响丽极易被损坏，所以在恒流源设 计中要加入实现防浪涌冲击、慢启动慢关闭的电路部分，以保护激光器。此外， 控制电路部分还要有信号合成、电滤负反馈稳定等功能，辅助其它宦动温控部分 电路、吸收池稳频部分电路实现对激光器的稳频控制。在借茶了几种传统的恒流 电路设计方法基破上，网时运用运放反馈控制和场效应管恒流控制等手段实现了 对高精度外腔半母体激光器的恒流控制，并且通过寓验，将恒流源加入整个控制 强路中，达到很离瓣驱动糖度。 第二部分课题是与中国网通集团研究院合作的基于网络的远程数据备份容 灾方寨谦题，首先分车厅了现有存储韭界的远端容灾备份方案实现方式，主要分为 基于主机系统的容灾方案和基于存储系统的容灾方案，但其共同存在的缺点在于 无法触及的网络部分。锌对如中国网通这群的两络运营裔的优势，设计崮瑶淘远 程数据备份用户的基于网络的远程数据备份容灾方案。利用现存在的网络资源为 数据客户建立一个基于业界标准的、开放的网络架构平台，兼容多厂商产品、支 持多存储协议，将各种存储设备熬合，形成一个统一的虚拟存储平台。 关键词：雏腔半导体激光器恒流源慢启动慢关闭远程数据备份容灾 a b s r a c t m yp a p e ri si n c l u d i n gt w op a r t s ：t h ed e s i g na n di m p l e m e n to f t h ee x t e r n a lc a v i t y l a s e rd i o d e ( e c l d ) c u r r e n ts o i r c ca n dt h er e s e a r c ho fn e t w o r kd a t ad i s a s t e rr e c o v e r y s y s t e m t h el a s e rd i o d ew h i c hi st h ek e yo fe x t e r n a lc a v i t yl a s e rd i o d e ( e c l d ) i sv e r y t e n d e rp a r t i ti se a s i l yd a m a g e db yt h ei m p a c to ft h ev o l t a g e ，c u r r e n ta n ds t a t i cw h e n i t sa s s e m b l ya n dr u n n i n g t oa v o i dt h ed a m a g e ，t h ef e e d b a c kc o n s t a n tc u r r e n tt h e o r y , l o ws t a r t u pt h e o r y , l o wc l o s eu pt h e o r ya n dm o se f f e c tt r a n s i s t o rs p e c i a l t ya r e a p p l i e dt or e a l i z ean e wm e t h o do fh j 【曲- r e s o l u t i o nc o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i t ，a f t e rs o m e t r a d i t i o n a lm e t h o d su s e df o rr e f e r e n c e t h en e wm e t h o di sa p p l i e df o rt h e h i g h - r e s o l u t i o ne x t e m a ic a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d eo ft h e15 5 0 n mw a v e l e n g t h t od r i v et h ec u r r e n tc o n s t a n t l y t h er e s o l u t i o no fd r i v ec i r c u i tc a l lb ea c h i e v ei nh i g h l e v e l t h ep r o j e c ti ss i m u l a t e db yp r o t e ld x p t o o l ，d e s i g n e db yt h ep c bc i r c u i t ，a n d a p p l i e dt ot h el a s e rd r i v e rc i r c u i ts y s t e m ，w h i c hh a sp r o v e dt h ec o n s t a n tc u r r e n tm o d e l c a l la v o i dt h ed a m a g ef o rd r i v ec u r r e n tf l u c t u a t i o na v a i l a b l y t h es e c o n dp a r ti st h et a s ko fc h i n an e t c o mg r o u pl a b t h ei m p o r t a n td a t a ， w h i c hi n c l u d e so p e r a t i o nd a t a ，f i n a n c ed a t a , c l i e n ti n f o r m a t i o nd a t a ，a n de t c ，i sc l o s e l y b o u n du pw i t ht h ef u t u r eo fa l lk i n d so fc o r p o r a t i o n s h o w e v e rs o m ec a u s e s ， i n c l u d i n gt h et e c h n i q u ea n dm a n - m a d e ，c o n d u c et ot h ea c c i d e n ta b o u td a t al o s i n g ， d a t a b a s ea s s a u l t e d a c c o r d i n g l y , t h er e m o t ed a t as t o r a g ea n dd i s a s t e rr e c o v e r y p r o j e c ti sd e s i g n e df o r t h e d a t ac l i e n t s t h er e s o l v e n tb a s e do nt h en e t w o r ki s p r e p o n d e r a n tt ot h et r a d i t i o n a lr e s o l v e n tb a s e do nt h em a i n f r a m ea n db a s e do nt h e s t o r a g e k e yw o r d s ：e c l d ，s t a b i l i z a t i o nc u r r e n ts o u r c e ，s l o ws t a r t u pa n ds l o w c l o s e u p ，r e m o t ed a t ab a c k u p ，d i s a s t e rr e c o v e r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：力建矽 签字日期：h 耵占年2 月也日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞态茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 力建砀 导师签名 签字日期：跏年王月沈日 签字日期：狮年二月边日 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 第一章绪论 稳压源、恒流源在仪器仪表、电子设备及高新科学技术中均占有重要地位， 然而在长期以来人们更多致力于对稳压源的研究，相比而言，人们对恒流源的研 究、设计、应用以及相关资料却相对有限。由于半导体激光器对驱动恒流源要求 十分严格，需要有精度很高的恒流源对其驱动工作。 本课题对外腔半导体激光器用恒流源进行设计和实现，除实现一定范围内电 流可调，且随负载波动变化很小的恒流功能外，还增加了慢启动慢关闭、防止电 网浪涌冲击等保护电路功能。为外腔半导体激光器设计出一种实用方便的驱动恒 流源。 随着企业信息化的逐步深入和业务数据的迅速增加，企业的关键数据资料越 来越多的使用计算机系统进行存储。这些关键数据如业务数据、财务数据、客户 信息等与企业生存息息相关；然而由于技术或人为等原因，造成数据的丢失、错 误，以及遭到的恶意攻击等对企业造成严重损失。因此，企业对数据安全备份的 要求也日益提高，特别是希望得到针对客户需求的远端数据存储备份容灾解决方 案。 在与中国网通集团研究院合作的有关容灾的项目中，首次提出了基于网络的 远程数据备份容灾方案设计方法。并针对高中低端几类客户分别提出了数据级、 应用级一整套解决方案，提高了该方案的市场竞争力。 1 2 国内外研究现状 恒流源电路是稳定电源的一个分支，在近五十年间得到巨大发展构成恒流 源的核心器件已由早期的电真空结构的镇流管跨入到半导体集成电路阶段。恒流 源涉足的范围也由传统的稳定电磁场、校正电流表等，扩展至激光、超导、通信 等领域，展示了广阔的应用前景。 传统的恒流源的设计思路主要分为：用稳压源和电阻构成恒流源，用恒流器 第一章绪论 件构成的恒流源，以及用负反馈放大器构成的恒流源。几种恒流源方式各有优势 和缺点，分别适于几种特定的应用环境，也为很多新颖的恒流电路的设计所借鉴 和依据。 目前我国现有灾难备份体系基础相当薄弱，存在一系列亟待解决的问题。相 关部门已经越来越认识到容灾环境的不足，在2 0 0 4 年初由国务院信息化办公室 主持，银行、电力、铁路、民航、证券、保险、海关、税务八大重点行业相关主 管部门的信息安全专家就灾难恢复预案的制定、落实和管理等问题进行讨论，确 定了容灾建设指南，拟定国家标准。然而各行业自己进行备份容灾系统建设需要 很高的费用投资、以及人力维护投入。中国网通集团研究院正是利用网通集团现 有的网络物力和人力资源为各类容灾大客户建立一套基于业界标准的、开放的网 络架构平台，兼容多厂商产品、支持多存储协议，将各种存储设备整合，形成统 一虚拟存储平台的一揽子远端数据存储备份解决方案。 1 3 课题来源 外腔半导体激光器用恒流电路设计与实现项目是天津市自然科学基金项目： 智能化光纤放大器与光源的研究。 基于网络的远程数据备份容灾方案设计课题为中国网通集团研究院内部立 项项目。 1 4 本论文主要内容 本课题分两部分，前半部分主要激光器驱动恒流源部分的设计实现，文中第 二章着重在分析了半导体激光器对驱动电源的技术要求后，比较了几种常用的恒 流源，对比了几种恒流电路设计手段，通过借鉴几种典型驱动电路设计，利用运 算放大器反馈与场效应管阻抗特性配合使用，设计出用在外腔半导体激光器上的 驱动恒流源。在第三章中，将此激光器驱动恒流源部分电路运用p r o t e ld x p 工 具对仿真波形结果进行分析，并对电路参数进行调整，最终按仿真结果参数实现 在实际p c b 电路板上，接入激光电路中实现了可控、可调、恒流驱动，并通过光 谱分析、稳频分析、温控分析的测试结果对电路进一步验证。实验证明恒流源在 2 第一章绪论 整个智能型光栅光纤半导体激光器中实现了一定范围内、精度很高的恒流控制， 并有效地将l k h z 标准频率信号、吸收稳频反馈信号进行合成反馈给驱动电流， 成功实现外腔吸收稳频，此外通过增加辅助电路实现了慢启动慢关闭功能以及防 止电网浪涌冲击的保护功能。最终的测试结果在第三章的后半部分进行了介绍。 论文后半部分基于对国内外容灾市场的分析，现有存储业界的远端容灾备份 方案实现主要分为基于主机系统的容灾方案和基于存储系统的容灾方案，两方案 分别从软件和硬件方面为主对数据复制、备份得以实现，但其共同缺点在于无法 触及的网络部分。这也正是本课题的一个主要切入点，可以利用现有的网络资源 为数据客户建立一个基于业界标准的、开放的网络架构平台，兼容多厂商产品、 支持多存储协议，将各种存储设备整合，形成一个统一的虚拟存储平台。现今国 内外存储行业很多公司也在努力推出基于自身产品，同时兼容其他厂家产品的支 持异构设备、多协议的类似方案产品，但由于厂家利益和自身在网络上固有的缺 陷，不可能建立成为完全针对用户需求的、公开的、将各家设备充分整合的平台。 作为数据容灾的基础，本论文第四章中首先介绍了三种数据拷贝方式。第五章中 比较了基于主机的解决方案及基于存储的解决方案后，提出了基于网络的存储方 案。在介绍了该方案的架构思路和预期业务模式后，对方案的实施步骤、建设模 型、采用的网络复制方案、数据传输方案都分别进行了分析介绍。该方案作为一 种产品，拥有的产品优势及适于客户群类别同样十分重要，在论文最后两节对这 两部分内容补充分析。 一3 - 第一二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 2 1半导体激光器对驱动恒流源的技术要求 半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对电冲击的承 受能力较差，较小的电流也可能导致光功率输出的极大变化，以及发射波长、噪 音性能、模式跳变的变化，因此在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有着 很高的要求，电流的起伏会引起光功率的很大变化，明显影响输出的准确度和稳 定度。瞬态的电流或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器。 驱动电流应尽可能不随负载变化地稳定在阈值电流以上，在本课题中选择驱 动电流为o 3 0 m a 可调，且不随负载变化。 此外，由于半导体激光器为很敏感的部件，若在半导体激光器驱动电路的供 电中出现仅几n s 宽度的瞬态电压或电流尖峰，都有可能引起激光器内部小平面 的瞬时过热，造成损伤，而产生这种瞬态的原因很多，因此，需要采用慢启动慢 关闭部分电路对激光器的驱动电流进行控制，并对激光器实现有效安全保护。 除此以外，由于电网中的其它用电设备的起、停或工作状态变化，雷电感应， 电路板管脚接触不良，虚焊造成时通时断，电烙铁、人体静电等原因都会引起突 发性瞬态电压或电流脉冲，即所谓的浪涌发生。倘若影响到半导体激光器的核心 部分p n 结，若其反向电压超过其允许值，将会发生击穿损坏；若其正向电流超 过其允许最大电流值，重则立即烧毁，轻则性能受到影响，无法正常使用。因此， 驱动电源须对各种原因产生的浪涌进行屏蔽和对激光器进行保护。 2 2 恒流源的基本原理 恒流源的基本作用是消除或削弱电源电压、负载电阻和环境温度变化对输出 电流的影响。根据各不同的实际应用，可以采用不同类型的恒流源电路。按照调 整方式的不同，恒流源可以分为直接调整型恒流源和间接调整型恒流源。后者根 据调整元件的工作状态不同，又可以分为连续调整型恒流源、开关调整型恒流源 和组合调整型恒流源。按照所采用的调整元件不同，恒流源可分为电真空器件恒 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 流源、双极型晶体管恒流源、场效应器件恒流源和集成电路恒流源。“2 “” 1 、直接调整型恒流源 该恒流源由恒流器件和供电电源串联组成，电路结构简单，主要利用恒流器 件的非线性特性对负载电流进行直接调整并使之保持稳定。恒流器件早先采用整 流管，目前广泛使用半导体恒流二极管。 囡甩上土i j i o = i d d u su o u 图2 1 恒流二极管构成的恒流源和伏安特性曲线 上图2 1 即是恒流二极管构成的恒流源和伏安特性曲线，半导体恒流二极管 能在很宽的电压范围内提供十分恒定的电流，所以在晶体管电路中得到广泛应 用。然而，目前恒流二极管的最大电流仅有6 n 1 a ，限制了它的使用范围，因此也 无法在本课题中应用。 2 、间接调整型恒流源 电子管、晶体管一般不能直接向负载提供恒定电流，但可利用它们和其它电 子元器件组合而成的恒流电路来实现恒流，称之为间接调整。根据调整元件的工 作状态不同，可分为连续调整、开关调整和组合调整型恒流源。 ( 1 ) 连续调整型恒流源 下图2 2 是连续调整型恒流源的结构示意图， - 5 - 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 见 飓 ( a ) ( b ) 图2 - 2 连续调整犁恒流源电路 其中图( a ) 是由基准电压妇，精密电阻胎和射极跟随器f 构成连续调整 型恒流源开环电路。由于跟随器的输出电压和输入电压( 基准电压如) 大致相 同，因此串接在输出电流通路中的实际负载血上就流过近似恒定的电流，其等 于基准电压跆和精密电阻如之比，即 詈 亿t ， 图( b ) 为连续调整闭环电路，其中a 为精度较高的运放，其一个输入端接 基准电压，另一个输入端加入反馈电压，由于放大器的作用，最终使输出电流在 标准电阻上的压降和基准电压近似相等，因此得到i o 警。 可见，连续调整型恒流源的输出电流仅由基准电压和标准电阻决定，而与电 源电压和负载变化无关。该方法中射极跟随器f 和放大器a 可采用电子管、晶体 管或集成运算放大器。由于连续调整型恒流源闭环电路的稳定性较好，电路相对 简单，在本课题中将借鉴这种方式的电路连接。 ( 2 ) 开关调整型恒流源 这种方案一般应用于交流输入情况下，采用单结晶体管触发的可控硅相控开 关电路；直流输入，多采用多调谐振荡器控制的开关电路。 然而开关型恒流源适合于输出容量大，对恒流性能要求不高的情况，不适合 本课题的应用。 ( 3 ) 组合调整型电路 组合调整型电路是综合了前两种电路的特点，即在开关调整稳压电路后紧接 连续调整型恒流电路，这样，开关电路输出的脉冲纹波经后接的连续调整电路调 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 整后，最终输出的电流就十分稳定。 图2 3 组合调整型恒流源电路 对上述几种类型恒流源的性能作一比较，如下表2 1 所示。 表2 - 1恒流源性能比较表 项目高稳定的输出容量相对电源相对负载电路结构 可能性变化的稳变化的稳 电路类型定范围定范围 直接基本电路 由 小中 中 非常简单 连开环电路低中 出 中中简单 续 间调 闭环电路高 由 中中较复杂 接 整 开关调整 中大大大复杂 组合调整高大大大非常复杂 影响一个恒流源输出电流主要影响因素有输入电压、负载电阻和环境温度， 由于在本课题中的负载为半导体激光器，激光器的阻抗特性受环境温度变化十分 敏感，远远超过电路本身对温度的敏感程度，因此可以将恒流源的输出电流l 看 作是输出电压u 、负载电阻的函数墨： 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 l = 厂( u 、也) ( 2 2 ) 评价恒流源优劣的主要性能指标有：稳流系数s 、输出电阻心和电路温度 系数。 1 、稳流系数 稳流系数是指在负载和环境温度保持不变的情况下，输出电流的变化量与输 入电压的变化量之比。如下图所示。在输入电压在设定值玑处发生一个微小的 波动a ，相应的输出电流变化l ，从而可知稳流系数为： s = 甍) 毗。 ( 2 - 3 ) r l - = r l g 如 t o g 0 u f g u 图2 - 4 恒流源的电压调整特性 恒流系数是一个转移因子，单位为西门子。表示了一个恒流源克服输入电源 电压变化的能力。在本课题中，由于需要对输入电压产生一个标准频率信号，并 使得驱动电流相应体现这一标准信号，因此对恒流源的稳流系数不作要求。 2 、输出电阻r 输出电阻是指在输入电源电压和环境温度保持不变的条件下，输出电流的变 化量和输出电压的变化量之比的倒数，即平时所指的内阻。 如下图所示，在负载的阻抗值有一微小变化，对应的输出电压变化眈，而 输出电流的变化为，则输出电阻为： 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 耻高删 ( 2 - 4 ) 如 l o s u l = u l s d u o s u i 图2 5 恒流源的负载调整特性 输出电阻的数值越大，说明负载变化引起的输出电流的变化越小，即恒流源 的性能越好。这一点与稳压电源的等效内阻越小，稳压器性能越好的情况正好相 反。 3 、电流温度系数 电流温度系数是指在输入电压和负载电阻保持不变的条件下，输出电流的变 化量和环境温度的变化量之比。在本课题中由于负载为半导体激光器，且有自动 温度控制电路功能，电路温度系数暂不作分析。 2 3 恒流部分设计方法与改进 如下图2 - 6 是恒流源电路的核心部分，本课题根据以上对传统恒流电路的分 析，基于串联反馈恒流电路，并加入场效应管恒流实现。整个稳流系统是一个负 反馈大闭环，r 3 作为采样电阻将反映驱动电流大小的电压信号反馈回运算放大 器的反向端，与正向端给定信号比较放大后控制稳流三级管的源端，以此控制串 联在集电极的负载( 半导体激光器) 的电流。 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 图2 6 半导体用高精度驱动电路 负载电流的设定可根据以下公式推导： 恒流管基极电压：u b = u u 6 一毛6 疋 ( 2 5 ) 负载电流：, t o - - ( v - 0 7 ) r , ( 2 6 ) 造成恒流电流不稳的因素很多，交流整流的波纹系数，恒流电路的温度稳定 性以及电流调整端的电压稳定性等都会对恒流稳定度产生影响。 为改善整流电路纹波的影响，激光器驱动电源采用桥式整流电路，其输出电 压高，外特性好，纹波小。为保证整流桥中的各个整流管的导通角度为n ，电源 的l c 滤波电路中的l 应足够大。否则甚至接近容性负载的整流特性，这样电感 就小足以维持整流管中电流在半个周期中流通。而出现某时间“电流截止”。 根据其电流截止条件，可求出临界电感值： l c r = 尺，( 6 n f )( 2 7 ) 式中：，一一电源频率； l c r 一一临界电感； 彤一一负载电阻。 通常选择滤波电感l 为：l 2 l c r 通常滤波电容r 选择为： 2 0 0 0 , u f a 1 0 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 证： 此外，在功率器件选择上，电流调整用的功率器件应有足够大的余量，需保 l 。i c ( 2 8 ) 否则功率器件的电流随着恒流管增大而明显上升导致电流的稳定性恶 化。 电流取样器件要选用温度系数尽可能低的元件；运算放大器选用低噪声、低 漂移的元件。 经过几个器件的比较，运算放大器选用精度较高，输出电流比较稳定的 o p 0 7 器件，恒流三级管选用输出电流在低于8 0 0 m a 的2 n 2 2 1 9 器件( 具体参数 见附录) 。 在恒流三级管2 n 2 2 1 9 发射极e 端的取样电阻既要保证三级管在放大区和饱 和区切换，选定l k q 的精密可调电阻。为减少反馈信号电流大小，选用1 0 0 k q 限流电阻作反馈电阻。 图2 7 恒流部分电路 上图2 7 为实际电路的实现方式。其中与负载( 激光器) 并联的部分为防止 激光器过载电流或电压波动的保护部分。考虑半导体激光器本身易因为高频干扰 而损坏，在半导体激光管并联一个小电容，同时并联一个反向二极管防止激光管 两端受过大的反向电压而损坏。根据文献【5 1 中介绍，与激光管并联几个前向导通 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 的二极管可以大大提高激光管的寿命，因为当发生很大前向电压发生时，这些保 护二极管将导通，电流将不会从激光管通过，避免了激光管的损坏。 2 4 慢启动慢关闭部分设计方法与改进 由于很多情况下晤，比如，开关闭电源、雷电感应、电子器件参数突变、人 体静电等原因，会产生浪涌现象。轻则性能受影响，重则将激光器烧毁。因此在 直流电源和激光器之间增加慢启动慢关闭电路，提供激光器的电压平滑上升和缓 慢下降。 图2 - 8 为慢启动慢关闭部分电路图，电路中的q 3 达林顿管、r 2 、c 6 、c 7 ， 组成了电压缓升电路，给定电压开启后，电流通过r 2 给c 6 、c 7 预充电，待充 电到1 3 v 后才能使达林顿管q 3 逐渐导通。导通时间由r 2 与c 6 、c 7 的取值有 关。实验前期，对慢启动部分电路经过多次实验，确定c 6 、c 7 选取1 0 0 l lf ，r 2 选取1 0 k q 可调电阻，可根据需要实时设定驱动电流的上升时间。一般选取5 k q ，开启后约延迟2 s 稳定到设定的工作电流。 两侧由r 1 、c 4 、c 5 和r 3 、c 9 、c 1 0 组成的两个丌型网络电路实现了慢关 闭功能，关闭时间表示为f = r c ，适当选择电容和电阻值调节关闭时间。一般 都会将r 值取得较大，防止电流突变，在前期实验中，先使用电路搭接面包板 多次实验，确定r 为1 5 0 k q ，电容c 取值1 0 0 1 tf ，使得工作电流维持2 s 以上 的延迟才降落为零。电压维持1 0 s 左右降为零。 图2 - 8馒启动慢关闭电路 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 2 5 防浪涌部分的设计方法与改进 仆c ) 圈2 - 9防电网浪涌冲击部分电路 为了可靠的抵抗电网带来的浪涌冲击，设计中采用双重过电压保护和噪声滤 波的供电方式。图2 9 中r 1 2 为4 7 0 v 1 k a 压敏电阻，一旦电网电压出现高于4 7 0 v ( 峰值) 电压的浪涌时，立即呈短路状态使浪涌被吸收，从而在电源变压器初级 难以形成更高的峰值电压。r 1 3 为2 4 v 0 5 k a 压敏电阻，使峰值超过2 7 v 的浪涌 被吸收。n f 为市售用噪音滤波器，其对超越了反映较慢的压敏电阻而进入电源 内的超快速的脉冲干扰起到良好的吸收作用。 压敏电阻可有效的消除浪涌电压，其阻值在一定范围内是可变的。一般在正 常工作电压时，压敏电阻呈高阻状态，相当于开路。而当电压达到临界值后，压 敏电阻迅速变为低阻抗( 相应时间为毫秒或微秒级) 。其阻值的急剧下降，浪涌 电压以放电电流的形式被压敏电阻吸收掉，相当于过压部分被短路。当浪涌电压 消除后，压敏电阻又恢复到高阻状态。下图2 - 1 0 给出两种压敏电阻的i - v 特性 曲线。 晤一霄 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 i z n o& c 一 肜夕。 v 图2 1 0压敏电阻i v 特性曲线 图中可看出，由于z n o 压敏电阻的特性陡，漏电流小，伏安特性对称，相对 是较理想的器件。选用压敏电阻的主要依据是其工作电压，工作电压与压敏电压 的关系可由下式确定： v 压= 1 5 v 一= 2 2 v ( 2 9 ) 式中： v 压一压敏电压； v 二一一直流工作电压； v 一一交流工作电压的有效值。 通常压敏电阻都安装在尽可能靠近被保护的设备，为达到低残压的要求，我 们要求采取多级保护的方案，在变压器的初级和次级都安装了压敏电阻。 对于以上提到的其它原因引起的浪涌冲击，采用了以下方法可有效消除对半 导体激光器的损伤： ( 1 ) 在交流市电到直流电的转换过程中，变压器的屏蔽端正确接地。 ( 2 ) 在直流电源和激光器之间增加型低通滤波网络，进一步滤除浪涌电 压。 ( 3 ) 根据使用的激光器的驱动电流一光功率特性曲线，在l d 支路上串联 适当阻值的限值电阻。 噪声滤波器要放在离装置的交流输入端尽量近的地方，电网到滤波器输入端 的引线要尽量短和粗。输出端到变压器初级要采用屏蔽线或双绞线，以消除静电 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 感应或电磁感应噪声。滤波器的输入线同输出线必须分隔开，不可发生耦合。滤 波器要放在屏蔽盒内，否则效果不好。下图2 - 1 l 即为噪音滤波器和电源变压器 屏蔽。 声吐矗o z 删 柏一崩! 州 一一一一一一吾二一一_ r 一1一l 图2 n噪声滤波器和电源变压器屏蔽 2 6 给定信号与反馈信号的合成 在本课题的设计中根据整个外腔半导体激光器控制回路的要求，需把温度控 制电路、稳频部分电路的信号进行合成，尤其是对激光器输出的光信号进行光电 转换后的电信号进行反馈，达到实时调整，稳定激光器的驱动电流在需要的范围 内。如下图所示即为将l k h z 输入信号、可调给定信号、以及稳频反馈信号的合 成电路。 第二章外腔半导体激光器用商精度电源设计与研究 整 铆 镫 咖 逛 n 一 团 信号合成电路采用运算放大器级联的方式实现，为方便后期电路设定值调 整，运放参数设定使信号合成放大倍数为1 ，在合成前将信号大小进行比例调整。 考虑信号来源及相互干扰，将给定信号与反馈信号首先进行比较合成，然后再加 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 如l k h z 的标准频率信号。 苗 删 髫 赵 2 内 圈 由第二章中整个激光器系统框架介绍中可知，为保证激光器输出光恒定中心 波长，需要实时的调整驱动电流大小。反馈控制回路中就是将输出光经过光电转 第二章外腔半导体激光器用高精度电源设计与研究 换，进而相位检测比较，产生一个反映相位差的信号。本课题设计中运用兰姆凹 陷稳频原理“”实现稳频，通过相敏检波器将通过分子吸收池后的信号频率和吸 收频率之间进行相位比较，当输出激光频率等于吸收频率时，相敏输出为零；当 输出激光频率小于吸收频率时，光电流信号与振荡器输出信号同频反相，鉴相器 输出电压为负，需控制激光器驱动电流源减小，增大输出频率，向吸收频率方向 移动。反之，控制激光器驱动电流增大，使输出频率减小，最终将其稳定在吸收 频率上。使之成为一个闭环。 为了实现以上闭环控制，将反馈信号首先通过稳压二极管进行稳压，再经过 积分电路把正负输出的反馈信号变为上升下降的控制信号，为实现以上控制结 果，再通过反相器和直流电压偏执电路，得到反馈信号。 第四章远程数据复制方案概述 第三章外腔半导体激光器用高精度恒流源的实验结果 3 1主电路的仿真和输出波形分析 运用以上几部分电路组成了总的恒流控制电路( 如下图3 - 1 示) ，运用 p r o t e l d x p 软件实现。 匦 馥 删 蘧 第四章远程数据复制方案概述 运用p r o t e l d x p 中带有的s i m u l a t i o n 工具。给定信号设为5 v ，标准l k h z 频率信号设为i v ( 可调) ，分别尝试接入负载5 0 q 、5 0 0 q 、1 0 0 0 0 ，经过仿真 得出如下几种输出波形，可见恒流效果很好，在初始信号一定的情况下负载电流 几乎没有随负载的大小而发生变化，和预期结果一致。 。”。1 “1 “2 ”篇磊3 “”4 ”5 “ 。“o “1 1 “2 “勰3 “3 “4 ”5 “ o “o “1 1 “2 “：熟”“3 “”5 “ 图3 - 2 负载在5 0 0 时的伤真波形 - 2 0 第四幸远稷数据复制方案概述 芑 | | | 匪冀鬟墓霾。 囊匪蚕霾墓墓； 薰匪霾薹墓薹嘲 蠢匪蒸薹薹冀。 蕊3 - 3负载谯5 0 0 q 时的仿冀波形 o “o “1 ”1 “2 需舄3 3 “4 5 ” 蓁匿藜蓁霪雾： t h ( 时 ；、 i w 一手：_ 手一l 。，= = 、 7 二= ：、 一7 = = ：u 一，” vvv yyy 、j ， v ek 爿时硼o r 讲一k 1 卜一杰 一 # n _ 一j i- 1 、彭士z 一= 墨：矗姑j 兰互b 下? 7 一，” i x ” 圈3 - 4负载程1 0 0 0 0 时的仿真波形 由以上几个输出波形，可见在负载在5 0 l k q 时可以保诚三极管处于饱和 2 1 - 第四章远程数据复制方案概述 区，在基极b 、发射极e 之间导通情况下可保证集电极上的负载电流r 2 6 电流恒 定，保持中心值为1 0 m a ，电流波动量在1 0 3 m a 以下( 仿真显示最高精度) ，负 载两端电压产生波动量9 5 v ，根据判断输出电阻公式( 2 - 4 ) 可以判断该恒流电 路的输出电阻约为1 0 9 q 以上，达到了预期设计要求。 然而同时也可以发现在负载到l k q 时，由于负载电流不变，集电极电压下 降，产生波形失真，有削波现象。因此选定与负载串联电阻5 0 0 q ，为可以实时 调整电流的大小，在发射极e 端串联可调电阻( r 3 7 ) 。 3 2 高精度电源的电路实现 使用p r o t e ld x p 软件提供的电路板制版工具生成驱动电路p c b 板，为方便 输入信号、输出信号接口搭接，将外接电压信号管脚、负载输入( 接l d ) 管脚、 可调电阻管脚、稳频信号反馈管脚在电路板输出并排引出( 如电路图右下角示) 。 图3 - 5激光器恒流源驱动p c b 电路板 将以上设计电路作出实际电路板如图3 5 所示，并检查实际管脚、封装形式、 电路接通效果作以调整。将此电路板与激光器稳频、温控部分电路板装箱，并输 第四章远程数据复制方案概述 入输出互相接线，形成激光控制器，如下图3 - 6 示。 图3 - 6外腔半导体激光器电路及光路部分实验箱 3 3 恒流效果测试 装箱完成后，在连接激光器前再次进行模拟负载测量，将接负载两端口接入 阻值较小的可调电阻，实验测得，在负载由5 q 调到5 0 q 过程中，输出电流未测 得变化，根据实际测试用电流表的测量精度为1 0 。2 i i l a ，可估算出该恒流电路的输 出电阻值在4 5 1 0 3 q 以上。 各激光二极管的性能都有所不同，本试验中采用的是海特光电子技术公司的 n 型w 1 5 - 2 3 0 3 半导体激光器( 内带尾纤) 。下表为该激光器参数值。实验中选 定驱动电流在阈值电流以上，最高工作电流以下，因此确定了工作电流为1 0 3 0 m a 连续可调。 表3 - 1 实验用激光器参数表 实验用激光器型号 m o d e l ：ns e r i a ln o ：w 1 5 - 2 3 0 3 p o1 0m w i t h1 2 6i i l a i f2 5 5m a v f0 9 3 6v i m o5 6 0ua 第四章远程数据复制方案概述 e s7 8uw m a r d3 60 kp 1 5 3 4 8 8n m t c2 5 0 r t1 0k q 1 5 m 15 0 4 m 1 50 3 m s 5d 1 ” 1 5 o o r , 1 49 9 m 1 4 鲐m o “o 1 1 2 丢嚣“3 4 “5 “1 帖( 图3 7 负载为激光器时的仿真波形 将该恒流电路与稳频电路相连，并驱动激光器，通过调整r 3 7 阻值使驱动电 流中心值稳定在1 5 m a ，同时调整r 2 1 使得交流分量为0 1 m a 。 图3 - 8实际测试负载两端电压( 右图为反馈电路同频同相情况) 反馈端在接上鉴相部分电路输出信号后，输出电流得到预期调整仿真结果。 同频同相时驱动电流增加，同频反相时驱动电流减小。 最终将整个电路与光路部分接通后，输出光的光谱得到很好的结果，如下图 3 - 9 所示。中心波长稳定在1 5 3 1 3 8 n r a ，达到预期效果。 第四章远程数据复制方案概述 1 ( ) 1 5 3 14 2r m 2 9 8 9 0d 咖 - 8 , 0 9 r r - 2 4 - 4 0 $ ：0 d 8 e l ：o 参 一8 8 r 8 w v b v f 藩矗扣e r l t ：。未，。；。 蛋 1 黝呲呲帆 u 一_帅u 饥娥 5 0 87 4 “ 1 5 3 13 64 。n “j ， 1 5 5 4 0 2 0 5n ms p 懈- 5 12 8d b m虮v 酣 6 5k h zs t5 6 3 m a y g o f f 图3 - 9恒流源驱动激光器输出光谱图 经过吸收池的光信号通过对鉴相控制后的输出量进行反馈控制驱动电流，进 行调节，长时间测试输出光谱漂移。如下图3 1 0 、3 - 1 1 即是在经过保证温度恒 定、通过鉴相稳频控制后恒流源驱动激光器击射激光的光谱图，通过半小时一次 地跟踪测量，可见光谱中心波长漂移在1 0 - 3 r i m 以上。 由此判定恒流源工作稳定，并且通过反馈鉴相控制信号调整驱动电流，有效 的起到对外腔半导体激光器频率控制的作用。 第四章远程数据复制方案概述 鼎；，芸勰糯之。喜翳2 ，。荆黧黜需 - 6 3 8 7 9d b m- - 5 a 3 3 7d o r a3 2d b s 7 2 1 3 h- - 6 2 4 0 0d s r n- 5 1 9 0d b 隧a g i i e n t a 餮j帮埘 越 v 飞 矽 讯。 删k l i l l _ d山瓿 1 s 蒉帕5e 酌州一肋?1 s 2 为 h 怕c 枷o 图3 1 0 中心波长在1 5 3 5 4 7 7 n m 附近时的波峰漂移情况 ，。嚣盆d ：勰搿；翟，。，器 黧。巍 嬲需 - 6 3 8 2 5d b m一5 日9 5 6a b r n4 5 6 9d b5 7 3 d b r n- 6 20 5 2a b r n- 4 6 8 4a s 污譬a g i l e a t r e f 0 棚 然 腻 艨。、 f 7 逸l l j e 艄一 乩阮扩戳池 4 9 60l 翻1 嗽如1 5 3 6 2 4 6 h 、触 - 啪o f f 图3 1 1中心波长在1 5 3 5 4 8 5 n m 附近时的波峰漂移情况 3 4 慢启动慢关闭效果测试 在电路中对慢启动慢关闭影响的因素主要是n 型电路的参数，在本次实验中 经过几次数据调试，最终确定两个电路的c = 1 0 0 uf ，r = 1 5 0 k q ，启动时间1 5 s 2 5 s ，关闭时间约1 5 s 2 5 s 。 2 6 - 一m 一 等= 一 ：w m 一 等= 一 = w 第四章远程数据复制方案概述 形。 如下图是当开关开启时电压的慢爬升波形以及激光器驱动电流的慢爬升波 ? 一， ； g 3 “ t h 舯 图3 1 2开关开启后设定电压爬升波形图 d 、渺删 ” ： ，。 一j j 、，hw 图3 1 3 开关开启后激光器驱动电流爬升波形图 3 5 防浪涌效果测试 在连续几天的实验中，整个实验箱用电接市电2 2 0 v 情况下，跟踪测量激光 器驱动电流，未发现瞬时剧烈波动现象，并且未受到非正常开关电闸的影响。防 浪涌电路起到预期有效的保护效果。 一2 7 - 第四章远程数据复制方案概述 第四章远程数据复制方案概述 远程数据备份容灾的基础即是远程数据复制技术，将远程磁盘( 或磁带) 中 的数据以某种时间点或磁盘点的间隙对数据进行复制备份。行业内比较常用的有 同步远程拷贝、异步远程拷贝和通过p i t 的远程拷贝。【2 2 】 4 1 同步远程拷贝 主流存储供应商提供的三个基于存储硬件的远程同步数据复制解决方案，有 i b mp p r c 、e m cs r d f 和h d st r u e c o p y 。 远程数据复制的动作是无需服务器参与、在l u n 或卷一级层面进行的。该 方案的关键是性能、距离和多控制器之间的协作。 生产主机 可以无需备份主机 u n i x w i n i o s 3 9 0 图4 - 1 同步拷贝 同步拷贝的主要原理是将生产主机的逻辑日志缓冲区复制到备份数据库磁 盘阵列中( 可以不用备份主机) ，并且能在生产主机操作失败时自动切换到备份 数据库磁盘阵列( 或主机) 中。采用同步方式的优点在于两边的数据库主机的数 据一致，但是每笔在生产主机提交的交易需要发送到备份数据库磁盘阵列并得到 确认才算真正成功完成，必然会产生一定时间延迟，性能受到一定影响。而且对 2 8 第四章远程数据复制方案概述 异地数据库的距离有一定限制。 4 2 异步远程拷贝 利用该技术的主流产品有i b mx r c 和h i t a c h ic o m p a t i b l er e p l i c a t i o nf o r i b mx r c 、h i t a c h it r u e c o p ya s y n c h r o n o u s 、e m cs r d fa s y n c h r o n o u s 一级用于 日立t a g m a s t o r e 通用存储平台的e l 立通用复制软件。 与同步拷贝方式相比，异步拷贝使生产主机的逻辑日志缓冲区只要在逻辑日 志缓冲区的数据拷贝到数据复制缓冲区就可以刷新了。该方式不会影响生产主机 性能，但是在系统出现失败时，可能会有一些数据还未来及通过网络传送到备份 数据库中。异步方式对异地中心无距离限制。 生产主机 备份主机 u n i x w i ni o $ 3 9 0 。 图4 - 2异地备份 4 3 通过p i t 的远程拷贝 p i t 拷贝是孝某一具体时间点获得的数据拷贝，理想情