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        一種用于3D打印的激光電源設(shè)計

        2019-08-03 02:52:22劉玉龍
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2019年11期
        關(guān)鍵詞:預(yù)充電二極管電源

        劉玉龍

        摘? 要:該文設(shè)計了基于3D打印技術(shù)的激光二極管驅(qū)動電源。首先研究激光二極管對驅(qū)動電源的要求及技術(shù)指標(biāo),了解激光二極管的V-I特性。針對激光二極管對驅(qū)動電源的要求,設(shè)計了基于Buck電路的驅(qū)動電源。在控制方面,運用了預(yù)充電技術(shù),使驅(qū)動電源在啟動時電流上升沿時間比較短;關(guān)斷時電流下降沿時間比較短,滿足了激光二極管的需要。

        關(guān)鍵詞:3D打印技術(shù);激光二極管;預(yù)充電技術(shù);上升沿

        中圖分類號:TN248? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼:A

        0 引言

        隨著社會的發(fā)展,3D打印的應(yīng)用也越來越廣泛。在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較小的一些物體中,3D打印表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。而隨著3D打印技術(shù)的越發(fā)成熟,其應(yīng)用的領(lǐng)域也逐漸拓寬,對其前級的激光二極管的驅(qū)動電源的要求也越來越高。激光二極管要求驅(qū)動電源既能工作在連續(xù)電流模式,又能工作在調(diào)制模式。該文主要針對激光二極管的特殊要求,在Buck電路的基礎(chǔ)上,后級又加入了一只MOSFET,并運用了預(yù)充電技術(shù),滿足了激光二極管的要求。

        1 激光二極管對驅(qū)動電源的基本要求

        激光二極管在實際工作時,要求既能工作在連續(xù)模式,又能工作在調(diào)制模式下。其對驅(qū)動電源的有以下4點要求。

        (1)10A/36V,驅(qū)動電源要滿足輸出電流10 A,實際工作狀態(tài)電壓為自適應(yīng)。電流2 A~10 A(20%~100%)連續(xù)可調(diào),電壓25 V~36 V自適應(yīng)。另外,鑒于LD個體之間的差異,電壓最大值需要具備調(diào)至40 V的能力。

        (2)調(diào)制頻率:驅(qū)動電源要滿足常規(guī)5 kHz的輸出。

        (3)輸出電流在啟動時上升沿小于20 μs,關(guān)斷時下降沿小于15 μs。且超調(diào)要小于1%。

        (4)輸出電流紋波有效值小于150 mA。

        2 激光二極管驅(qū)動電源的設(shè)計

        2.1 激光二極管驅(qū)動電源的主電路設(shè)計

        激光功率是激光二極管的驅(qū)動電路要穩(wěn)定控制最重要的物理量,通過調(diào)節(jié)激光二極管的驅(qū)動電流的大小,精確控制激光二極管的發(fā)射光功率。DC/DC變化器是將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵觯渲?,Buck電路是最有代表性的拓?fù)渲?,其廣泛應(yīng)用于可調(diào)直流開關(guān)電源中。激光二極管驅(qū)動電源主電路在BUCK電路的基礎(chǔ)上,在輸出側(cè)增加一個MOS管,并在原來的輸出端并聯(lián)一個假負(fù)載(電阻)。

        2.2 激光二極管驅(qū)動電源的控制方法

        為了滿足輸出電流穩(wěn)定且紋波較小,Buck電路的輸出端并聯(lián)有很大的濾波電容,所以輸出電流在電路啟動時很難做到上升沿小于20 μs,關(guān)斷時下降沿小于15 μs。所以,在Buck電路的基礎(chǔ)上,在輸出側(cè)增加了一個MOS管,并在濾波電容上并聯(lián)假負(fù)載(電阻)。假負(fù)載(電阻)的作用是減弱了輸出電壓的非線性化(非線性化指的是輸出電壓與Buck電路MOS管的占空比大小是不成比例的)。假負(fù)載(電阻)的大小要根據(jù)實際試驗而定,如果太大,輸出電壓的非線性化還是比較明顯,如果太小,又會增加電源的損耗。

        (1)當(dāng)電路工作在連續(xù)的工作模式時,先給Buck電路預(yù)充電,預(yù)充電的電壓要根據(jù)激光二極管的V-I曲線來定。假設(shè)指令電流為I1,此時對應(yīng)的V-I曲線電壓為V1,此時預(yù)充電的電壓就為V1,V1可以通過調(diào)節(jié)Buck電路MOS管的占空比大小來實現(xiàn)。當(dāng)Buck電路輸出側(cè)的電壓達到V1后再打開后增加的MOS管,這樣可實現(xiàn)輸出電流在啟動的時候快速達到設(shè)定的指令電流值的大小,從而滿足上升沿小于20 μs,關(guān)斷的時候先關(guān)斷增加的MOS管,然后再關(guān)斷Buck電路的MOS管的要求。

        (2)當(dāng)電路工作在調(diào)制模式時,設(shè)定電流的指令值,也要根據(jù)激光二極管的V-I曲線對應(yīng)的實際電壓值先給Buck電路預(yù)充電,然后根據(jù)調(diào)制頻率和占空比來控制后增加的MOS管即可。

        (3)為了滿足輸出電流的穩(wěn)定度,輸出電流采樣選用LEM:LAH25-P,并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,濾波電路,然后把信號送入CPU。由于LEM采樣精度比較高,這樣能保證輸出電流的精度,從而能精確地控制激光器光功率的輸出大小。

        (4)實際工作中要對激光二極管的溫度進行實時監(jiān)測,避免其溫度過高而燒壞。當(dāng)激光二極管溫度過高時(設(shè)定一個閾值),CPU要及時地給出指令,封鎖MOS管的驅(qū)動信號,停止電路運行。

        3 設(shè)計結(jié)果測試

        測試用的示波器是泰克數(shù)字示波器DPO-4034,其帶寬達到了350 MHz,電流探頭用泰克的電流探頭,分別測試了電路在電流連續(xù)和調(diào)制情況下的輸出電流波形,具體情況如下所示。

        (1)當(dāng)電路工作在連續(xù)模式、滿載、電路啟動時,輸出電流波形如圖1所示。可見輸出電流在啟動時上升沿小于20 μs,且沒有超調(diào)。

        (2)當(dāng)電路工作在連續(xù)模式、滿載、電路停止運行時,輸出電流波形如圖2所示??梢娸敵鲭娏髟趩訒r下降沿小于15 μs。

        (3)當(dāng)電路工作在調(diào)制模式時,調(diào)試頻率5 kHz,占空比50%,滿載時,輸出電流波形如圖3所示。

        (4)滿載時,輸出電流紋波有效值實測為6.62 mA。電流紋波有效值大小滿足小于150 mA的要求。

        以上的測試結(jié)果表明,驅(qū)動電源在實際工作時,性能穩(wěn)定,可靠性高,能夠滿足激光二極管的實際工作需求。

        4 結(jié)語

        該文根據(jù)激光二極管的特性需求,設(shè)計了一種激光二極管驅(qū)動電源。該電路既能工作在連續(xù)電流模式,又能工作在調(diào)制模式,電壓在一定范圍內(nèi)自適應(yīng)輸出,滿足3D打印用激光二極管的特殊要求,。在Buck電路的基礎(chǔ)上,在輸出側(cè)增加了一只MOS管,經(jīng)過試驗驗證,驅(qū)動電源輸出穩(wěn)定可靠,能夠滿足激光二極管的需求。該驅(qū)動電源體積小、紋波小、性能好,在激光二極管實際應(yīng)用中具有一定的參考價值。

        參考文獻

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