CN101527449A - 变形镜高压保护电路 - Google Patents

Abstract

变形镜高压保护电路，包括相邻驱动器高压保护电路和单驱动器高压保护电路，相邻驱动器高压保护电路采用双向瞬态抑制器D跨接在相邻驱动器高压输入电极之间，以实现相邻驱动器电压限制从而实现对镜面剪切损坏保护；单驱动器高压保护电路采用双向瞬态抑制器Z下拉到地连接在每个驱动器高压输入电极和公共极之间，以实现对单个驱动器的电压击穿保护；变形镜高压保护电路串联在变形镜与高压放大器之间，当电压异常时，保护网络立即产生作用，对电压进行自动平衡，保证驱动变形镜的电压在限定范围内从而避免变形镜单个驱动器过压损坏和连续镜面剪切损坏，实现对变形镜的保护，当电压正常时，保护网络不起任何作用，也不影响变形镜驱动电路的正常工作。

Description

变形镜高压保护电路

技术领域

本发明涉及一种高压保护电路，尤其涉及一种对自适应光学中的核心器件变形镜各个驱动器上的驱动电压过载、异常等情况进行保护的高压保护电路。

背景技术

一个典型的自适应光学系统框图如图1所示，变形镜(DM)1是自适应光学系统中的核心部件，主激光通过变形镜反射到分光镜2后大部分再被反射出去，小部分经过波前探测器(WFS)3后测量波前畸变，在波前处理机(WFC)4中进行波前复原计算和控制计算后得到的控制信号电压经过数模转换(DAC)5和高压放大器(HVA)6放大，使变形镜1产生所需的补偿波前，从而实现波前误差的实时校正。

分立式压电驱动器连续镜面的变形镜是目前应用最广，技术发展最成熟的变形镜。它通过粘在变形镜连续薄镜面下的若干个压电陶瓷驱动器的伸缩，产生镜面变形来校正波前误差，驱动器上的电压差越大，镜面变形量就越大。它的发展趋势是相同口径下，单元数增多，动态范围变大，极间距减小。对于这种由多个独立驱动器组成的网状拓扑的变形镜，其连续镜面受相邻几个驱动器的顶拉力作用而发生变形，此时，若相邻驱动器间的相对变形量过大，甚至会导致变形镜镜面剪切撕裂损坏，并且，变形镜驱动器驱动电压过大会产生电压击穿而损坏驱动器，因此，需要采取一定的措施来保护变形镜以避免损坏。

根据有限元分析，变形镜连续薄镜面应力值与变形镜驱动器网状拓扑结构(例如三角形、四边形)的相邻驱动器外加的电压差成正比。因此，可以通过控制外加电压来控制变形镜镜面受力，从而避免变形镜镜面剪切损坏。为此，对变形镜单个驱动器电压和变形镜相邻驱动器电压差实施过压保护就能直接避免变形镜单个驱动器过压损坏和镜面剪切损坏，从而实现对变形镜全方位的保护。

现有的变形镜过压保护网络都是利用数字的方法限定电压。《光电工程》2000年第3期公开了一种用可编程ASIC实现的变形镜过压保护网络，该过压保护网络采用数字限压的方法，由可编程ASIC与限压器阵列实现。该过压保护网络对任两个相邻驱动器求电压差，当电压差大于变形镜绝对电压差后，对这两个驱动器均进行降压。而申请号为200410009040.9的中国专利“中心驱动器电压趋零的变形镜过压保护调整方法”是对自适应光学系统波前处理机输出的每帧变形镜驱动器数字电压进行限压调整的一种数字过压保护方法，其特点在于：将变形镜各驱动器看成是中心驱动器，逐次比较中心驱动器与相邻驱动器的电压差与变形镜极限电压差的关系，如果大于变形镜极限电压差，将调整中心驱动器的电压，使其满足要求。

显然，自适应光学系统刚闭环未稳定、参数错误引起的振荡或大气剧烈扰动等都可能引起的相邻两驱动器所加电压差变大导致变形镜剪切损坏，对于这些情况，以上两种方法都能实现对它们的保护。但是，这两种方法都有共同的缺点：①因为都是在波前处理机中进行波前复原计算和控制计算后利用可编程芯片采用数字方法限压，它通过限定数模转换和高压放大器的输入电压来限定变形镜相邻驱动器电压差从而实现过压保护，属于间接保护，而变形镜是靠高压放大器产生的高压功率信号直接驱动的，当数模转换或高压放大器自身故障引起的变形镜损坏，上述两种方法则不能实施保护；②只对相邻驱动器电压差实施了过压保护，避免变形镜镜面的剪切损坏，而没有对单个驱动器实施过压保护，不能避免单个驱动器的电压击穿；③因为采用数字迭代的方法串接在自适应闭环系统前向支路中，会增加系统时间的滞后，从而对自适应光学系统的闭环带来不利的相位滞后，从而导致系统闭环稳定裕量下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种变形镜高压保护电路，它能够对变形镜单个驱动器电压和相邻驱动器电压差都实现过压保护从而避免变形镜单个驱动器电压击穿损坏和连续薄镜面剪切损坏；不会影响系统的延时而造成自适应光学系统的控制相位滞后。它是一种全面的有效的直接的在高压端的变形镜保护电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术解决方案是：变形镜高压保护电路(HVP)串联在受保护的变形镜(DM)和高压放大器(HVA)之间，在高压端进行保护，变形镜高压保护电路包括相邻驱动器过压保护网络电路和单驱动器过压保护网络电路。

所述的相邻驱动器过压保护电路采用双向瞬态抑制器D跨接在变形镜相邻驱动器之间，利用瞬态抑制器D的饱和嵌位特性以实现对相邻驱动器电压差的嵌位从而实现变形镜镜面剪切损坏的保护；根据多单元驱动器排布的网状拓扑结构就可以得出相邻驱动器的关系网络，针对这种变形镜驱动器的拓扑结构，就可以组成相同拓扑的相邻驱动器过压保护网络电路。

所述的单驱动器过压保护网络电路采用双向瞬态抑制器Z连接在每个驱动器和公共极(地)之间，利用瞬态抑制器Z的饱和嵌位特性以实现对单个驱动器的电压的嵌位从而实现对单个驱动器电压击穿的保护；对于变形镜每个驱动器都如此连接之后，就可以组成这种变形镜的单驱动器过压保护网络电路。

本发明的工作原理是：变形镜高压保护电路串联在高压放大器和受保护的变形镜之间，实现对变形镜最贴切的过压保护。所述的相邻驱动器过压保护电路和单驱动器过压保护电路都是利用了瞬态电压抑制器的饱和特性以嵌位电压从而实现过压保护，并且利用了瞬态抑制器拥有的浪涌能力好、瞬时功率容量大、齐纳电阻小、恢复时间短等优点，从而实现最瞬时的过压保护，此时甚至能够保护纳秒级的尖峰过压。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的变形镜高压保护电路是串联在高压放大器和受保护的变形镜之间，不会影响系统的延时而造成自适应光学系统的控制相位滞后；本发明的变形镜高压保护电路是最直接、最全面的、高压端的变形镜高压保护电路，它不仅能够实现对变形镜单个驱动器过压击穿的保护，还能够实现对变形镜相邻驱动器电压差超过限定值后引起的镜面剪切损坏的保护。采用本发明的变形镜高压保护电路后，能够实现对任意情况引起的过压进行过压保护，它不管是因为系统刚闭环未稳定、参数错误引起的振荡过压或大气剧烈扰动引起的过压，还是因为高压放大器本身的故障引起的过压等。

附图说明

图1为典型的自适应光学系统结构框图；

图2为本发明对自适应光学系统核心部件变形镜高压保护的应用框图；

图3为本发明变形镜高压保护电路组成原理示意图；

图4为本发明组成的三角形网状拓扑结构变形镜高压保护网络示意图；

图5为本发明组成的三角形网状拓扑结构变形镜高压保护电路电气原理图；

图6为本发明组成的四边形网状拓扑结构变形镜高压保护网络示意图；

图7为三角形网状拓扑结构的127单元变形镜驱动器布局示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

本发明的变形镜高压保护电路采用如图2所示的连接方式，将变形镜高压保护电路(HVP)7串联在受保护的变形镜(DM)1和高压放大器(HVA)6之间，在高压端进行保护。本发明的变形镜高压保护电路组成原理示意图如图3所示，包括相邻驱动器过压保护电路和单驱动器过压保护电路。

所述的相邻驱动器过压保护电路采用双向瞬态抑制器D跨接在相邻驱动器之间，利用瞬态抑制器D的饱和嵌位特性以实现对相邻驱动器电压差的嵌位从而实现变形镜镜面剪切损坏的保护；相邻驱动器过压保护电路随着受保护的变形镜驱动器网状拓扑结构变化而变化，并且随连接支路增加可任意扩充。

所述的单驱动器过压保护电路采用双向瞬态抑制器Z下拉到地连接在每个驱动器和公共极之间，利用瞬态抑制器Z的饱和嵌位特性以实现对单个驱动器的电压的嵌位从而实现对单个驱动器电压击穿的保护。单驱动器过压保护电路不随受保护的变形镜驱动器网状拓扑结构变化而变化，并且随单元数增加可任意扩充。

实施例1

以图4所示的三角形网状拓扑结构的高压保护网络电路为例详细介绍本发明的变形镜高压保护电路。

相邻驱动器过压保护电路可根据三角形网状拓扑结构的变形镜驱动器排布关系，在相邻驱动器之间跨接瞬态抑制器D。可以看出，对于这种三角形网状拓扑结构的变形镜，其相邻关系是：对于非边缘驱动器，每个驱动器都和6个驱动器相邻，对于6个边的边缘驱动器每个驱动器都和4个驱动器相邻，而对于6个角的边缘驱动器每个驱动器都和3个相邻驱动器相邻，根据这些两两相邻关系，就可以组成这种多单元的三角形网状拓扑结构的相邻驱动器过压保护网络电路。显然，随着变形镜的排布关系变化，其相邻驱动器的关系也随之变化，相邻驱动器过压保护网络电路也随着变形镜驱动器拓扑结构变化而变化。并且随着变形镜驱动器数量增加，其相邻支路数也相应增加，则相邻驱动器过压保护网络电路支路数也随之增加。

单驱动器过压保护电路则是针对变形镜每个独立驱动器，利用双向瞬态抑制器Z跨接在每个驱动器和公共极之间。由此，就可组成相应的单驱动器过压保护网络电路。显然，所述的单驱动器过压保护网络电路只是随着变形镜单元数的增加而增加，并不随变形镜驱动器拓扑结构变化而变化。

为了理论分析加入变形镜高压保护电路后对变形镜起到的过压保护作用，可以逐次将变形镜各驱动器的相邻的驱动器连接简图画出。依此，根据基尔霍夫电流定理列出所有驱动器的方程，从而求解得到过压保护后的电压。对于图4中所示组成的三角形网状拓扑结构的高压保护网络电路，以中间7个驱动器为例，可以画出其电气原理图如图5所示，其中V1～V7为高压放大器输出的高压电压，V1′～V7′为经过变形镜高压保护电路之后，加在变形镜各驱动器上的电压，电阻R1～R7为高压放大器内部输出阻抗，它们阻值相等，设为R。这样，根据基尔霍夫电流定理可列出中心驱动器1的方程为：

$\frac{V_1-{V_1}^{\′}}{R}=b\left[1.2\right]i_{1.2}+b\left[1.3\right]i_{1.3}+b\left[1.4\right]i_{1.4}+b\left[1.5\right]i_{1.5}+b\left[1.7\right]i_{1.6}+b\left[6\right]i_{1.7}+a{i}_1---\left(1\right)$

其中i_1.2～i_1.7表示与1号驱动器相邻的2号～7号驱动器之间的支路电流，例如i_1.2表示相邻的2号驱动器和1号驱动器的支路电流。b矩阵表示支路的导通与否和电流方向，流出该驱动器时为正，则b矩阵只有0、-1、1的取值。设相邻驱动器双向瞬态抑制器D限定电压为Vd，例如，对1号驱动器和2号驱动器的支路，则当V1-V2＞Vd时，支路导通，电流流出中心驱动器，b[1.2]＝1；当V2-V1＞Vd时，支路导通，电流流入中心驱动器，b[1.2]＝-1；而当|V1-V2|≤Vd时，支路不导通，b[1.2]＝0。对于i₁则表示该驱动器经双向瞬态抑制器Z下拉到变形镜公共极支路电流，a与b矩阵一样表示导通与否和电流方向，流出中心驱动器时为正，则a也只有0、-1、1的取值。设定下拉到变形镜公共极的双向瞬态抑制器Z限定电压为Vz，当V1＞0，且V1＞Vz时，支路导通，电流流出中心驱动器，a＝1；当V1＜0，且|V1|＞Vz时，支路导通，电流流入中心驱动器，a＝1；而当|V1|≤Vz时，支路不导通，a＝0。

并且，支路导通时，还满足双向瞬态抑制器D嵌位饱和特性，例如，对1号驱动器和2号驱动器的支路，当|V1-V2|＞Vd时，第一条支路导通，双向瞬态抑制器D嵌位，则满足方程：

V₁′-V₂′＝b[1.2]Vd    (2)

而当|V1|＞Vz时，当前驱动器单端到变形镜公共极支路导通，也满足双向瞬态抑制器Z的嵌位，则满足方程：

V₁′＝aVz              (3)

由此，把每个驱动器逐一的当作中心驱动器，把与之相邻的支路和本身驱动器经瞬态抑制器Z单端到变形镜公共极的支路都连接起来，利用基尔霍夫电流定理则可写出类似(1)、(2)、(3)方程的方程。对应变形镜每个驱动器，都可以写出该三个方程，这样就可以写出变形镜驱动单元数个类似的方程，联合起来可以求出唯一的解，即为限压之后的加在变形镜驱动器上的电压。

显然，只有在当变形镜输入电压异常时，保护支路才可能导通，本发明变形镜高压保护电路立即产生作用，电路网络自动的遵从基尔霍夫电流定理，对电压自动进行平衡，销峰填谷，保证变形镜驱动器电压都在限定范围内，此时，变形镜高压保护电路的主要作用是安全保卫，对自适应光学系统的带宽有一定的影响，但是，一旦变形镜输入电压正常时，保护支路不导通，本发明变形镜高压保护电路不起任何作用，对自适应光学系统没有任何影响。

由于本发明变形镜高压保护电路是串联在高压放大器和受保护的变形镜之间，不会影响系统的延时而造成自适应光学系统的控制相位滞后。经实验证明，本发明变形镜高压保护电路不但能够对变形镜起全面保护的作用，而且即使在起保护过程中，也不会影响自适应光学系统闭环的稳定性，其校正能力也影响比较小。

实施例2

以图6所示的四边形网状拓扑结构变形镜高压保护网络电路为例详细介绍本发明的变形镜高压保护电路。

相邻驱动器过压保护电路可根据四边形网状拓扑结构的变形镜驱动器排布关系，在相邻驱动器之间跨接瞬态抑制器D。可以看出，对于这种四边形网状拓扑结构的变形镜，其相邻关系是，对于非边缘驱动器，每个驱动器都和4个驱动器相邻，对于四边的边缘驱动器每个驱动器都和3个驱动器相邻，而对于4个角的边缘驱动器只和2个驱动器相邻，根据这些两两相邻关系，就可以组成这种多单元的四边形网状拓扑的相邻驱动器过压保护网络电路。显然，随着变形镜的排布关系变化，其相邻驱动器的关系也随之变化，相邻驱动器过压保护网络电路也随着变形镜驱动器拓扑结构变化而变化。并且随着变形镜驱动器数量增加，其相邻支路数也相应增加，则相邻驱动器过压保护网络电路支路数也随之增加。

单驱动器过压保护电路则是针对变形镜每个独立驱动器，利用双向瞬态抑制器Z跨接在每个驱动器和公共极之间。由此，就可组成相应的单驱动器过压保护网络电路。显然，所述的单驱动器过压保护网络电路只是随着变形镜单元数的增加而增加，并不随变形镜驱动器拓扑结构变化而变化。

实施例3

以图7所示的127单元三角形网状拓扑结构的变形镜高压保护电路网络为例说明具体实施过程。

根据镜面应力分析，127单元变形镜相邻驱动器之间电压差不能超过700V，即当相邻驱动器电压差大于700V时就会使镜面产生大的变形而发生剪切拉裂损坏。对于高压放大器输出的电压为-500V～+500V，在系统刚闭环未稳定、参数错误引起振荡、大气剧烈扰动、高压放大器故障等都有可能使高压放大器输出给相邻驱动器的电压差大于700V，甚至到1000V，如果不加限压保护，就会发生镜面剪切损坏。对于相邻驱动器的过压保护，其限压值一般设定为双向的600V，即Vd＝600V。因此，可以选择2个SGS-THOMSON电子公司的1.5KE300CA(额定电压300V)的双向瞬态抑制器串联组成双向瞬态抑制器D以提高嵌位电压到Vd＝600V＝300V+300V，它能吸收瞬时功率1500W、幅值超过600V的浪涌电压。由此，根据这种三角形网状拓扑结构，在每个相邻驱动器支路上都跨接这种双向瞬态抑制器D，就可组成127单元的相邻驱动器过压保护网络电路。

根据驱动器电压击穿测试，127单元变形镜单个驱动器击穿电压为600V左右，即当有600V以上电压加在驱动器上时就会使驱动器电压击穿而损坏。对于高压放大器(HVA)输出的电压为-500V～+500V，为了保证高压放大器的线性，其供电电压一般为650V，则在上电瞬间或者高压放大器出现某些故障时，有可能输出650V以上的尖峰高压，如果不加限压保护，有可能使驱动器电压击穿而损坏。对于单个驱动器的过压保护，其限压值一般设定为双向的550V，即Vz＝550V。因此，可以选择SGS-THOMSON电子公司的1.5KE300CA和1.5KE250CA(额定电压250V)的双向瞬态抑制器串联组成双向瞬态抑制器Z以提高嵌位电压到Vz＝550V＝300V+250V，它能吸收瞬时功率1500W、幅值超过550V的浪涌电压。由此，在每个驱动器上都连接双向瞬态抑制器Z到变形镜公共极(地)，就可组成127单元的单个驱动器过压保护网络电路。

因此，由127单元相邻驱动器过压保护网络电路和127单元单驱动器过压保护网络电路共同组成127单元变形镜高压保护网络电路。它连接在高压放大器和127单元变形镜之间，直接对它进行全面的过压保护。

再以127单元变形镜中64号驱动器为例详细介绍变形镜高压保护网络是如何起到过压保护作用的。

对于127单元变形镜64号驱动器，与它相邻的驱动器为51号、52号、63号、65号、76号、77号共6个驱动器，由此，可以画出其电路简图。因为其连接关系和图4中的高压保护网络一样，可以直接利用图5来分析，不再另外画图，只是此时64号驱动器相当于图5中的1号驱动器，51、52、65、77、76、63驱动器分别相当于图5中的2、3、4、5、6、7号驱动器。以示例来解释过压保护前后的电压变化关系。

例如：假设某些情况导致高压放大器输出电压分别为：64号驱动器电压V64为400V，51号驱动器电压V51为250V，52号驱动器电压V52为150V，63号驱动器电压为-100V，65号驱动器电压V65为-400V，76号驱动器电压V76为0V，77号驱动器电压V77为-500V。则由于V64-V51＝150V＜Vd＝600V，51号驱动器和64号驱动器支路不导通；V64-V52＝50V＜Vd＝600V，52号驱动器和64号驱动器支路不导通；V64-V63＝500V＜Vd＝600V，63号驱动器和64号驱动器支路不导通；V64-V65＝800V＞Vd＝600V，瞬态抑制器D3导通，即64号驱动器和65号驱动器支路导通；V64-V76＝400V＜Vd＝600V，76号驱动器和64号驱动器支路不导通；V64-V77＝900V＞Vd＝600V，瞬态抑制器D4导通，即64号驱动器和77号驱动器支路导通。为此，可以根据基尔霍夫电流定理列出方程求解得到限位后的电压值如表1所示。

表1

驱动器号	保护前电压	电压值(V)	保护后电压	电压值(V)
					64	V64	400	V64′	233
51	V51	250	V51′	250
					52	V52	150	V52′	150
63	V63	-100	V63′	-100
					65	V65	-400	V65′	-367
76	V76	0	V76′	0
					77	V77	-500	V77′	-367

从表1中可以看出，如果不加变形镜高压保护电路网络，加到变形镜64号、65号、77号驱动器上的电压分别为V64、V65、V77，此时，由于64号和65号两个相邻驱动器电压差为V64-V65＝400V-(-400V)＝800V，大于相邻驱动器极限电压700V，64号和77号两个相邻驱动器电压差为V64-V77＝400V-(-500V)＝900V，也大于相邻驱动器极限电压700V，其连续镜面受应力大大从而导致镜面剪切拉裂损坏。而加入变形镜高压保护电路网络之后，加到变形镜64号、65号、77号驱动器上的电压分别为V64′、V65′、V77′，此时，V64′-V65′＝233V-(-367V)＝600V，V64′-V77′＝233V-(-367V)＝600V，均为双向瞬态抑制器D的嵌位电压，从而实现过压保护，避免镜面拉裂损坏。从表1中还可以看出，对于51号、52号、63号、76号等4个驱动器，这些支路没有导通，其限压前后电压不会改变，即当输入电压正常时，保护电路不起任何作用。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1、变形镜高压保护电路，其特征在于：包括相邻驱动器过压保护电路和单驱动器过压保护电路，该变形镜高压保护电路串联在受保护的变形镜和高压放大器之间工作。

2、根据权利要求1所述的变形镜高压保护电路，其特征在于：所述的相邻驱动器过压保护电路采用双向瞬态抑制器D跨接在相邻驱动器之间，以实现对镜面剪切损坏保护。

3、根据权利要求1所述的变形镜高压保护电路，其特征在于：所述的单驱动器过压保护电路采用双向瞬态抑制器Z下拉到地连接在每个驱动器和公共极之间，以实现对单个驱动器的电压击穿保护。

4、根据权利要求1所述的变形镜高压保护电路，其特征在于：所述的相邻驱动器过压保护电路随着受保护的变形镜驱动器网状拓扑结构变化而变化，并且随连接支路增加可任意扩充。

5、根据权利要求1所述的变形镜高压保护电路，其特征在于：所述的单驱动器过压保护电路不随受保护的变形镜驱动器网状拓扑结构变化而变化，并且随单元数增加可任意扩充。

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