CN100477477C - 脉冲激光器高频模式供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲激光器高频模式供电装置，它涉及一种低压直流功率输入变换为高压脉冲功率输出的电源设备。其目的是为了解决传统的激光器电源装置中存在的工作频率低、功率转换效率低、输入动态范围窄、体积大、重量重、可靠性差、存在中频尖叫声等问题。本发明是将传统的开关式脉冲激光器电源的工作频率由中频20k～50kHz的范围，提高到100k～300kHz的高频范围，并设计了100k～300kHz的PWM/PFM控制与驱动电路、高频快速开关功率变换电路、高频快速高压充放电电路、手动/自动触发器、电平指示器、快速采样反馈控制电路，并将它们有机的连接组成了本电源装置。该装置用作脉冲激光器的供电电源。

Description

脉冲激光器高频模式供电装置

技术领域

本发明涉及一种低压直流功率输入变换为高压脉冲功率输出的电源设备，具体地说是一种脉冲激光器高频模式供电装置，用作脉冲激光器的供电电源。

背景技术

随着光电子技术和电子计算机技术的不断渗透、不断发展和广泛应用，光电子技术已渗透到医疗、军事、航天航空、机械加工、工业自动化控制、传感器等各个领域。对这些应用领域中光电子技术的要求也越来越苛刻，智能化和数字化已发展到了非常满意和理想的程度，小型化和微型化却由于脉冲激光器供电电源所存在的问题而一直不能进一步得到突破。目前市场上所出现的采用光电子技术制成的具有智能化和数字化功能的设备和系统中的脉冲激光器电源，有的虽然采用开关稳压电源供电，但由于存在着工作频率一直处于20k～50kHz之间的中频范围，所以在整个系统中虽然也有功率变换电路、高压充放电电路和采样反馈电路，但其电路的组成和元器件的选择必然受到工作频率的影响和限制，致使整个装置的保护控制速度慢、可靠性差、集成度低，在正常使用中还会出现刺耳的中频尖叫声等缺点。也有采用线性倍压整流式电源供电的，虽然提高了可靠性、消除了中频尖叫声，但由于线性倍压整流式电源存在着输入动态范围窄、功率转换效率低、体积大、重量重的缺点，致使这些设备和系统一直不能小型化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的不足，提供一种脉冲激光器高频模式供电装置，实现输入动态范围宽、功率转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高和消除中频尖叫声等目的，用作脉冲激光器的供电电源。

本发明的技术方案是这样实现的：在现有技术的基础上，将工作频率由20k～50kHz之间的中频范围提高到100k～300kHz之间的高频范围，精心设计各模块的电路组成和选择元器件，有机的将它们连接组成本发明脉冲激光器高频模式供电装置。具体地说，该装置包括电平指示器、快速采样反馈控制电路和特别设计的手动/自动触发器、高频脉宽调制/脉频调制(PWM/PFM)控制与驱动电路、高频快速开关功率变换电路、高频快速高压充放电电路；高频PWM/PFM控制与驱动电路、高频快速开关功率变换电路、高频快速高压充放电电路依次串联组成了该装置的主系统；快速采样反馈控制电路的后端与高频快速高压充放电电路连接并从中获得输出电压的反馈信号，前端与高频PWM/PFM控制与驱动电路连接并输送给反馈信号，使该装置构成闭环控制回路；高频PWM/PFM控制与驱动电路既接收由快速采样反馈控制电路送来的反馈信号，又要根据所接收到的反馈信号去控制高频快速开关功率变换电路的工作状态，还要去控制电平指示器的显示状态；手动/自动触发器端与高频PWM/PFM控制与驱动电路连接，另一端与高频快速高压充放电电路连接，置自动时，接收高频PWM/PFM控制与驱动电路发出的自动触发状态信号并传送给高频快速高压充放电电路，置手动时，高频快速高压充放电电路直接接收外部手动触发状态信号。

上述的脉冲激光器高频模式供电装置，所述的高频PWM/PFM控制与驱动电路，由100k～300kHz的PWM/PFM振荡器和驱动、控制、保护功能集成于一体的集成电路和外围元件以及引线组成，该控制与驱动电路接收来自快速采样反馈控制电路送来的反馈信号，并传送给高频快速开关功率变换电路、电平指示器和手动/自动触发器。

上述的脉冲激光器高频模式供电装置，所述的高频快速开关功率变换电路，由功率开关、高反压快恢复二极管和自耦式高压高频脉冲变压器以及外围的引线组成，它与高频PWM/PFM控制与驱动电路和高频快速高压充放电电路相连接，接收高频PWM/PFM控制与驱动电路送来的控制与驱动信号，并向高频快速高压充放电电路发出充电脉冲。

上述的脉冲激光器高频模式供电装置，所述的高频快速高压充放电电路，由高反压快恢复二极管、高压点火变压器以及电阻和高温高压高频大容量电容组成，它接收到手动/自动触发器送来的状态指令信号以后，将自己输出的电压提供给脉冲激光器，作为其供电电压，同时给快速采样反馈控制电路提供信号，一方面用作高频PWM/PFM控制与驱动电路控制电平指示器进行显示的依据，另一方面用作高频PWM/PFM控制与驱动电路控制高频快速开关功率变换电路工作状态的依据。

上述的脉冲激光器高频模式供电装置，所述的手动/自动触发器电路由单向可控硅、快恢复二极管、双置开关以及外围的电阻和引线组成。它与高频PWM/PFM控制与驱动电路和高频快速高压充放电电路相联接。置手动时，单向可控硅可直接接收手动控制信号，使高频快速高压充放电电路处于手动触发工作状态；置自动时，单向可控硅可直接接收高频PWM/PFM控制与驱动电路发出的控制指令，使高频快速高压充放电电路处于自动触发工作状态。

本发明取得的有益效果是：由于本发明采用了高频范围100k～300kHz的开关稳压电源的实现方法，因此，该发明就具有输入动态范围宽、功率转换效率高、消除了中频尖叫声、体积小和重量轻等特点。另外，由于该装置采用了高压高频脉冲变压器、高温高压高频大容量充放电电容、高压点火变压器，因此使该装置的输出功率和输出脉冲高压的可调范围很宽，也就是说只要是气体式脉冲激光器均可采用本发明来供电。解决了采用光电子技术制成的具有智能化和数字化功能的设备和系统不能小型化的关键问题，促进了我国电源技术和光电子技术的发展。

附图说明

图1是本发明组成的框图示意图

图2是本发明电路原理图

具体实施方式

参照图1，它是本发明组成的框图示意图，它由高频PWM/PFM控制与驱动电路A、电平指示器B、手动/自动触发器C、高频快速开关功率变换电路D、高频快速高压充放电电路F和快速采样反馈控制电路E组成。高频PWM/PFM控制与驱动电路包括100k～300kHz PWM/PFM振荡器和控制与驱动电路，它是本发明的核心电路。它一方面要接收由快速采样反馈控制电路E送来的反馈信号；另一方面要根据所接收到的反馈信号去控制高频快速功率变换电路D的工作状态，还要去控制电平指示器B的显示状态，最后还要向手动/自动触发器C发出自动触发控制信号。电平指示器B主要完成后级高压充放电电路是处于充放电状态，还是处于等待状态的显示功能，使操作人员根据显示状态非常直观的去操作。手动/自动触发器C主要完成后级高频快速高压充放电电路F对脉冲激光器手动/自动放电方式的控制。高频快速开关功率变换电路D主要完成把低压直流通过高频快速高压充放电电路转换为高压脉冲，工作方式为PWM/PFM工作方式，工作频率为100k～300k Hz。快速采样反馈控制电路E主要完成把快速采样到的输出电压信号，经快速处理后再快速反馈给前级的高频PWM/PFM控制与驱动电路A，由高频PWM/PFM控制与驱动电路形成含有各种保护功能的控制信号来改变高频快速开关功率变换电路D的工作状态。高频PWM/PFM控制与驱动电路与高频快速开关功率变换电路和高频快速高压充放电电路串联构成了本电源装置的主系统；快速采样反馈控制电路与前级高频PWM/PFM控制与驱动电路和后级高频快速高压充放电电路相连接，并从后级高频快速高压充放电电路的输出电压中取得采样信号，经过处理后将信号反馈给前级的高频PWM/PFM控制与驱动电路，使该装置的主系统形成闭环控制结构。

本发明的信号传递、各部分的连接和工作过程为：高频PWM/PFM控制与驱动电路A从输入直流电源上获得所需的供电电压后，内部的振荡器就开始工作而产生100k～300k Hz的PWM/PFM信号，在其内部经驱动器功率放大后输出给高频快速开关功率变换电路D，高频快速开关功率变换电路D在100k～300kHz的PWM/PFM驱动信号的驱动下开始工作，并产生高压高频脉冲给高频快速高压充放电电路F充电，快速采样反馈控制电路E从高频快速高压充放电电路F中采样出输出电压的高低，并经过处理后反馈给前级的高频PWM/PFM控制与驱动电路A，使高频快速开关功率变换电路D又按照新的驱动信号而工作。手动/自动触发器置手动时，高频快速高压充放电电路可直接接收外部手动控制信号；置自动时，高频快速高压充放电电路通过单向可控硅接收高频PWM/PFM控制与驱动电路发出的控制指令。另外，高频PWM/PFM控制与驱动电路A除了要按照快速采样反馈控制电路E送来的反馈信号来控制高频快速开关功率变换电路D的工作状态外，还要根据其反馈信号将高频快速高压充放电电路F的电平状态信号输送给电平指示器B，使其显示出高压充放电电路的电平状态。这时，整个电路就构成了一个有机的闭环回路，同时具有了过流、过压和欠压等保护功能。

参照图2，它是本发明的电路原理图。它主要是由高频PWM/PFM控制与驱动电路、电平指示器、手动/自动触发器、高频快速开关功率变换电路、高频快速高压充放电电路、快速采样反馈控制电路组成。图中的实框部分均为采用现有技术的电路，没有画出，虚框中画出的是本发明特别设计的部分电路。其中高频PWM/PFM控制与驱动电路由集成电路IC 1和外围元件及引线组成，IC1的管脚1接收快速采样反馈控制电路送来的反馈信号，管脚6和管脚3分别送给高频快速开关功率变换电路和电平指示器、手动/自动触发器信号并控制其工作状态。手动/自动触发器由单向可控硅V1、快恢复二极管VD1、双置开关K1以及外围的电阻和引线组成，K1置自动时，它接收高频PWM/PFM控制与驱动电路送来的信号，置手动时，它接收外部手动控制信号，并通过V1给高频快速高压充放电电路送去信号控制其工作状态。高频快速开关功率变换电路由P-MOSFET功率开关V2、高反压快恢复二极管VD2、自耦式高压高频脉冲变压器T1以及外围的引线组成，其中功率开关V2接收高频PWM/PFM控制与驱动电路中IC1的管脚6送来的驱动信号，使该高频快速开关功率变换电路工作于高频PWM/PFM状态，并将低压直流转变为高压高频脉冲，通过高反压快恢复二极管VD2送给高频快速高压充放电电路并对其进行充电。高频快速高压充放电电路由高反压快恢复二极管VD3、高压点火变压器T2以及电阻R3、R4、R5、R6和高温高压高频大容量电容C6、C7、C8、C9组成，它接收手动/自动触发器的状态指令信号，将其输出的电压提供给脉冲激光器，作为脉冲激光器的电源电压，同时给快速采样反馈控制电路提供采样信号，用作高频PWM/PFM控制与驱动电路控制电平指示器进行状态显示的依据。图2中的IC1采用MAX643型号，V1采用BT151型号，VD1采用1N4148型号，V2采用IRF644型号，VD2和VD3均采用UF4007型号。

Claims (5)

1、脉冲激光器高频模式供电装置，包括电平指示器、快速采样反馈控制电路，其特征在于还包括手动/自动触发器、高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路、高频快速开关功率变换电路、高频快速高压充放电电路；高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路、高频快速开关功率变换电路、高频快速高压充放电电路依次串联组成了该装置的主系统；快速采样反馈控制电路的输入端与高频快速高压充放电电路连接并从中获得输出电压的反馈采样信号，输出端与高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路连接，并给该高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路输送反馈信号，构成闭环控制回路；高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路接收由快速采样反馈控制电路送来的反馈信号，并以此去控制高频快速开关功率变换电路的工作状态和电平指示器的显示状态；手动/自动触发器一端与高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路连接，并接收其发出的自动充放电控制信号，另一端与高频快速高压充放电电路连接，并输送给手动/自动触发器充放电控制信号。

2、根据权利要求1所述的脉冲激光器高频模式供电装置，其特征在于，所述的高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路，由100k～300kHz的脉宽调制/脉频调制振荡器和驱动、控制、保护功能集成于一体的集成电路(IC1)和外围元件以及引线组成，该控制与驱动电路接收来自快速采样反馈控制电路送来的反馈信号，并经过处理后传送给高频快速开关功率变换电路和电平指示器。

3、根据权利要求1所述的脉冲激光器高频模式供电装置，其特征在于，所述的高频快速开关功率变换电路，由P-MOSFET功率开关(V2)、高反压快恢复二极管(VD2)和自耦式高压高频脉冲变压器(T1)以及外围的引线组成，它与高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路和高频快速高压充放电电路相连接，接收高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路送来的控制与驱动信号，并向高频快速高压充放电电路发出充电脉冲。

4、根据权利要求1所述的脉冲激光器高频模式供电装置，其特征在于，所述的高频快速高压充放电电路由高反压快恢复二极管(VD3)、高压点火变压器(T2)及电阻(R3、R4、R5、R6)和高温高压高频大容量电容(C6、C7、C8、C9)组成，它与高频快速开关功率变换电路、快速采样反馈控制电路、手动/自动触发器和脉冲激光器连接，接收高频快速开关功率变换电路发出的高压脉冲和手动/自动触发器送来的触发指令，给脉冲激光器提供电源电压，同时也给快速采样反馈控制电路提供输出电压高低的反馈采样信号。

5、根据权利要求1所述的脉冲激光器高频模式供电装置，其特征在于，所述的手动/自动触发器由单向可控硅(V1)、高反压快恢复二极管(VD1)、双置开关(K1)以及外围的电阻和引线组成，它与高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路和高频快速高压充放电电路连接，双置开关(K1)置手动时，高频快速高压充放电电路直接接收外部手动控制信号，使脉冲激光器处于手动触发工作状态；置自动时，高频快速高压充放电电路通过单向可控硅接收高频脉宽调制/脉频调制控制与驱动电路发出的控制指令，使脉冲激光器处于自动触发工作状态。

Images