CN106325165A - 一种高压变频窄脉冲激光电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压变频窄脉冲激光电源，包括控制单元、升压功率电路、脉冲发生电路、输出反馈电路、输入端及输出端，控制单元包括微控制器MCU、输出电压驱动电路和输出脉冲驱动电路，微控制器MCU与输入端连接，其输出端与输出电压驱动电路和输出脉冲驱动电路连接，升压功率电路分别与输出电压驱动电路、输出反馈电路及输入端连接，脉冲发生电路分别与输出脉冲驱动电路、升压功率电路、输出反馈电路及输出端连接。本发明采用低电压供电，能够以内部时钟或外部时钟为基准时钟工作，且能够根据需要设置输出电压的大小、输出脉冲的频率及输出脉冲的宽度，功率开关管驱动信号始终存在死区。与现有技术相比，具有电压调节范围广、输出脉冲窄等优点。

Description

一种高压变频窄脉冲激光电源

技术领域

本发明涉及一种高压电源，尤其涉及一种高压变频窄脉冲激光电源，属于激光器驱动技术领域。

背景技术

近年来随着激光技术迅速发展，高能激光技术广泛应用于工业加工制造、科学实验、军工和航天技术领域。

激光电源是激光系统中一个重要的组成部分，其性能好坏直接影响整个激光器装置的效率，每一种类型的激光器都需要配备专门的激光电源。随着激光技术的发展，对电源的要求也进一步提高。但是传统的激光脉冲电源采用高压包升压等方式实现升压，因此升压电压比很大，而且固定不变，功率也比较小，驱动脉冲往往利用一个开关管来实现脉冲输出，由此带来的问题就是变压器变比过大和输出脉冲上升沿存在较大延迟，难以满足对激光器的快速驱动的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有激光脉冲电源存在的输出电压固定不变、变压器变比过大和输出脉冲上升沿存在较大延迟的问题，提出一种高压变频窄脉冲激光电源，利用倍压整流进行二次升压，减小变压器变比，利用半桥结构的脉冲发生电路解决输出脉冲上升沿问题，同时可以对输出电压和输出脉冲频率进行手动调整。

本发明的原理：通过微控制器MCU来对系统进行控制，通过升压电路将低输入电压进行大比例的升高，同时利用半桥式高压脉冲开关，实现高压脉冲的输出，并且通过反馈调节，使得输出电压幅值跟踪指令值的变化。其中所述输出电压驱动电路和输出脉冲驱动电路的输入信号为由MCU提供的PWM信号。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高压变频窄脉冲激光电源，包括控制单元、升压功率电路、脉冲发生电路、输出反馈电路、输入端及输出端，所述控制单元包括微控制器MCU、输出电压驱动电路和输出脉冲驱动电路，所述微控制器MCU的输出端与输出电压驱动电路和输出脉冲驱动电路连接，所述微控制器MCU与输入端以及输出反馈电路连接，所述升压功率电路分别与输出电压驱动电路、输出反馈电路及输入端连接，所述脉冲发生电路分别与输出脉冲驱动电路、升压功率电路、输出反馈电路及输出端连接；

所述输入端用于接入外部电压信号、时钟信号CLK以及电压控制信号输入V_Ctrl和频率控制信号输入F_Ctrl；

所述MCU用于对输入信号以及输出反馈电路反馈的信号进行比较控制得到给定占空比且相位相差半个周期的两路PWM信号DR1和DR2以及给定频率且相位相差一个输出脉冲宽度的两路PWM信号DR3和DR4；

所述输出电压驱动电路用于对MCU输出的两路PWM信号DR1和DR2进行功率放大得到四路信号DRV1、DRV2、DRV3和DRV4，其中DRV1和DRV2为互补信号，DRV3和DRV4为互补信号，DRV1和DRV3相位相差半个周期；

所述输出脉冲驱动电路用于对驱动信号DR3和DR4进行功率放大得到一定频率且相位相差一个输出脉冲宽度的驱动信号；

所述升压功率电路用于将输入的外部电压信号根据所述输出电压驱动电路输出的信号DRV1、DRV2、DRV3和DRV4进行逆变升压得到所需的高电压；

所述脉冲发生电路用于根据所述输出脉冲驱动电路输出的驱动信号DR3、DR4对所述升压功率电路输出的高电压进行功率开关管控制得到脉冲输出信号V_out，V_out的高电平为所述升压功率电路输出的电压，V_out的低电平为PGND，即0；

所述输出反馈电路用于对V_out的高电平进行采集及模数转换处理，得到所对应的数字量输入至MCU；

所述输出端用于输出满足V_Ctrl和F_Ctrl要求的脉冲信号V_out。

作为优选，所述输入端包括正极V_in、接地GND、外部时钟信号输入CLK、电压控制信号输入V_Ctrl和频率控制信号输入F_Ctrl，所述输出端包括正极V_out和接地PGND；

所述MCU为一个微控制器，其输入端与外部时钟信号输入CLK、电压控制信号输入V_Ctrl、频率控制信号输入F_Ctrl、模数转换芯片AD连接，输出端与输出电压驱动电路以及输出脉冲驱动电路的功率开关管Q5和Q6的栅极连接，根据输入的V_Ctrl、F_Ctrl及AD信号，MCU输出PWM信号至电压驱动电路及输出脉冲驱动电路；

所述输出电压驱动电路包括两个半桥驱动芯片，每个半桥驱动芯片的输入端与MCU输出端连接，每个半桥驱动芯片的两个输出端分别与功率开关管Q1、Q2或Q3、Q4的栅极连接；

所述升压功率电路包括处于变压器T1原边的全桥逆变电路和处于变压器T1副边的四倍压整流电路，所述全桥逆变电路包括Q1、Q2、Q3、Q4四个功率开关管，功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极连接，功率开关管Q3的源极与功率开关管Q4的漏极连接，功率开关管Q1的漏极与功率开关管Q3的漏极连接，功率开关管Q2的源极与功率开关管Q4的源极连接，变压器T1输入端分别与功率开关管Q1的源极和功率开关管Q3的源极连接，所述四倍压整流电路包括D1、D2、D3、D4四个二极管以及C1、C2、C3、C4四个电容，电容C1正极与二极管D1负极、二极管D2正极、电容C3负极连接，电容C2负极与二极管D1正极连接，电容C2正极与二极管D2负极、二极管D3正极、电容C4负极连接，电容C3正极与二极管D3负极、二极管D4正极连接，电容C4正极与二极管D4负极连接，变压器T1输出端分别与电容C1负极和电容C2负极连接；功率开关管Q1的漏极与所述输入端正极Vin连接，功率开关管Q2的源极与所述输入端接地GND连接，外部时钟信号输入CLK、电压控制信号输入V_Ctrl和频率控制信号输入F_Ctrl均与MCU连接；

所述输出端正极V_out与电容C4正极之间设有串联的电阻R3和R4；

所述输出脉冲驱动电路包括功率开关管Q5、Q6、电阻R1、R2及变压器T2、T3，所述功率开关管Q5、Q6栅极与MCU输出的PWM信号连接，功率开关管Q5、Q6源极与所述输入端接地GND连接，功率开关管Q5、Q6漏极分别与电阻R1、R2的一端连接，电阻R1、R2的另一端与所述输入端正极V_in连接，电阻R1、R2分别与变压器T2、T3原边并联。

所述脉冲发生电路包括功率开关管Q7、Q8、Q9、Q10、电阻R7、R8、R9、R10，所述功率开关管Q7、Q8的栅极和源极分别与变压器T2的两组副边线圈连接，所述功率开关管Q9、Q10的栅极和源极分别与变压器T3的两组副边线圈连接，所述脉冲发生电路功率开关管Q7的源集和漏极分别与电阻R7的两端连接、功率开关管Q8的源集和漏极分别与电阻R8的两端连接、功率开关管Q9的源集和漏极分别与电阻R9的两端连接、功率开关管Q10的源集和漏极分别与电阻R10的两端连接，功率开关管Q7的源极与功率开关管Q8的漏极连接，功率开关管Q8的源极与功率开关管Q9的漏极连接，功率开关管Q9的源极与功率开关管Q10的漏极连接，功率开关管Q7的漏极与所述四倍压整流电路的电容C4正极连接，功率开关管Q10的源极与所述输出端接地PGND连接，功率开关管Q8的源极与电阻R3和R4的公共点连接。

所述输出反馈电路包括分压电阻R5和R6、隔离运放及模数转换芯片AD，电阻R5一端与功率开关管Q7的漏极连接，电阻R5的另一端与电阻R6连接，电阻R6的另一端与所述输出端接地PGND连接，隔离运放的输入端与电阻R5和R6的公共点连接，隔离运放的输出端与数模转换芯片AD的输入端连接，数模转换芯片AD的输出端与MCU连接。由R5、R6分压的得到的电压信号与隔离运放的输入端相连，隔离运放的输出信号输入至模数转换芯片AD的模拟量输入端，通过模数转换后将数字量送至MCU。

本发明的有益效果是：

1、采用低电压供电，既降低了成本又保证了供电操作的安全性，并以内部时钟或外部时钟为基准时钟工作，能够适应不同的工况。

2、能够根据需要设置输出电压的大小、输出脉冲的频率及输出脉冲的宽度。

3、功率开关管为互补工作方式，驱动信号始终存在死区，防止驱动功率管的直通，同时具有快速的上升沿和下降沿。

4、电压调节范围广、半桥结构的脉冲发生电路输出脉冲宽度窄。

附图说明

图1为本发明实施例一种高压变频窄脉冲激光电源结构组成示意图；

图2为本发明实施例一种高压变频窄脉冲激光电源电路示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1所示，一种高压变频窄脉冲激光电源，包括控制单元、升压功率电路、脉冲发生电路、输出反馈电路、输入端及输出端，所述控制单元包括微控制器MCU、输出电压驱动电路和输出脉冲驱动电路，其特征在于，所述升压功率电路分别与输出电压驱动电路、输出反馈电路及输入端连接，所述脉冲发生电路分别与输出脉冲驱动电路、升压功率电路、输出反馈电路及输出端连接。

图2是一种高压变频窄脉冲激光电源电路示意图，如图所示，输入端给全桥逆变电路提供输入低电压Vin，当需要以外部时钟为基准时，输入端给微控制器MCU提供外部时钟信号CLK。电路采用低电压供电，既降低了成本又保证了供电操作的安全性，并以内部时钟或外部时钟为基准时钟工作，能够适应不同的工况。输入端给微控制器MCU提供输出电压控制信号V_Ctrl和输出脉冲频率控制信号F_Ctrl，MCU根据接收到的输入端给定信号输出给定占空比且相位相差半个周期的两路PWM信号DR1和DR2给输出电压驱动电路，并且根据接收到的输入端给定信号V_Ctrl和F_Ctrl输出给定频率且相位相差一个输出脉冲宽度的两路PWM信号DR3和DR4给输出脉冲驱动电路。MCU能够根据输入需要，输出PWM信号，从而实现设置输出电压的大小、输出脉冲的频率及输出脉冲的宽度。所述提供给输出电压驱动电路的PWM信号占空比应小于50％，所述提供给输出脉冲驱动电路的PWM信号为窄脉冲信号。本实施例中MCU为一个DSP28335微控制器。

所述输出电压驱动电路将两路PWM信号变成DRV1、DRV2、DRV3、DRV4四路信号分别驱动功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4。具体的，DRV1和DRV2为互补信号，DRV3和DRV4为互补信号，DRV1和DRV3相位相差半个周期。本实施例中两个半桥驱动芯片均采用IRS21834S。

所述MCU提供给输出脉冲驱动电路的PWM信号驱动功率开关管Q5、Q6，并且功率开关管Q6的驱动信号超前于功率开关管Q5的驱动信号，功率开关管Q5、Q6通过变压器T2、T3驱动功率开关管Q7、Q8、Q9、Q10。

所述升压功率电路变压器T1原边功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号由于占空比上的限制始终存在死区，防止驱动功率管的直通，同时具有快速的上升沿和下降沿。所述升压功率电路变压器T1副边四倍压整流电路中，假设变压器输出电压绝对值为V，在第一个电压半周，变压器通过二极管D1给电容C1充电使C1两端电压达到1V，在第二个电压半周，变压器通过电容C1、二极管D2给电容C2充电使C2两端电压达到2V，在第三个电压半周，变压器通过电容C2、二极管D3给电容C3充电使C3两端电压达到2V，此时电容C1和C3的电压和为3V，在第四个电压半周，变压器通过电容C1、电容C3、二极管D4给电容C4充电使C4两端电压达到2V，此时电容C2和C4的电压和为4V，从而实现四倍压整流。

所述脉冲发生电路为半桥结构的脉冲发生电路，上桥臂为功率开关管Q7、Q8串联，下桥臂为功率开关管Q9、Q10串联，由于电阻R3、R4是串联在电容C4正极和输出端之间，只起到限制输出电流的目的，因此输出端电压V_out的高电平与电容C4正极电压相同，当功率开关管Q6的驱动信号到来时，Q9、Q10同时导通，输出端电压为0；当功率开关管Q5的驱动信号到来时，Q7、Q8同时导通，将输出端电压V_out强制拉升到4V，使输出电压调节范围变广，脉冲宽度变窄，以此保证了输出脉冲宽度达到目标宽度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高压变频窄脉冲激光电源，其特征在于，包括控制单元、升压功率电路、脉冲发生电路、输出反馈电路、输入端及输出端，所述控制单元包括微控制器MCU、输出电压驱动电路和输出脉冲驱动电路，所述微控制器MCU与输入端以及输出反馈电路连接，其输出端与输出电压驱动电路和输出脉冲驱动电路连接，所述升压功率电路分别与输出电压驱动电路、输出反馈电路及输入端连接，所述脉冲发生电路分别与输出脉冲驱动电路、升压功率电路、输出反馈电路及输出端连接；

所述输入端用于接入外部电压信号V_in、时钟信号CLK以及电压控制信号输入V_Ctrl和频率控制信号输入F_Ctrl；

所述MCU用于对输入信号以及输出反馈电路反馈的信号进行比较控制得到给定占空比且相位相差半个周期的两路PWM信号DR1和DR2以及给定频率且相位相差一个输出脉冲宽度的两路PWM信号DR3和DR4；

所述输出电压驱动电路用于对MCU输出的两路PWM信号DR1和DR2进行功率放大得到四路信号DRV1、DRV2、DRV3和DRV4，其中DRV1和DRV2为互补信号，DRV3和DRV4为互补信号，DRV1和DRV3相位相差半个周期；

所述输出脉冲驱动电路用于对驱动信号DR3和DR4进行功率放大得到一定频率且相位相差一个输出脉冲宽度的驱动信号；

所述升压功率电路用于将输入的外部电压信号V_in根据所述输出电压驱动电路输出的信号DRV1、DRV2、DRV3和DRV4进行逆变升压得到所需的高电压；

所述脉冲发生电路用于根据所述输出脉冲驱动电路输出的驱动信号DR3、DR4对所述升压功率电路输出的高电压进行功率开关管控制得到脉冲输出信号V_out，V_out的高电平为所述升压功率电路输出的电压，V_out的低电平为PGND，即0；

所述输出反馈电路用于对V_out的高电平进行采集及模数转换处理，得到所对应的数字量输入至MCU；

所述输出端用于输出满足V_Ctrl和F_Ctrl要求的脉冲信号V_out。

2.根据权利要求1所述的一种高压变频窄脉冲激光电源，其特征在于，所述输入端包括正极V_in、接地GND、外部时钟信号输入CLK、电压控制信号输入V_Ctrl和频率控制信号输入F_Ctrl，所述输出端包括正极V_out和接地PGND；

所述MCU为一个微控制器，其输入端与外部时钟信号输入CLK、电压控制信号输入V_Ctrl、频率控制信号输入F_Ctrl、模数转换芯片AD连接，输出端与输出电压驱动电路以及输出脉冲驱动电路的功率开关管Q5和Q6的栅极连接，根据输入的V_Ctrl、F_Ctrl及AD信号，MCU输出PWM信号至电压驱动电路及输出脉冲驱动电路；

所述输出电压驱动电路包括两个半桥驱动芯片，每个半桥驱动芯片的输入端与MCU输出端连接，每个半桥驱动芯片的两个输出端分别与功率开关管Q1、Q2或Q3、Q4的栅极连接；

所述升压功率电路包括处于变压器T1原边的全桥逆变电路和处于变压器T1副边的四倍压整流电路，所述全桥逆变电路包括Q1、Q2、Q3、Q4四个功率开关管，功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极连接，功率开关管Q3的源极与功率开关管Q4的漏极连接，功率开关管Q1的漏极与功率开关管Q3的漏极连接，功率开关管Q2的源极与功率开关管Q4的源极连接，变压器T1输入端分别与功率开关管Q1的源极和功率开关管Q3的源极连接，所述四倍压整流电路包括D1、D2、D3、D4四个二极管以及C1、C2、C3、C4四个电容，电容C1正极与二极管D1负极、二极管D2正极、电容C3负极连接，电容C2负极与二极管D1正极连接，电容C2正极与二极管D2负极、二极管D3正极、电容C4负极连接，电容C3正极与二极管D3负极、二极管D4正极连接，电容C4正极与二极管D4负极连接，变压器T1输出端分别与电容C1负极和电容C2负极连接；功率开关管Q1的漏极与所述输入端正极Vin连接，功率开关管Q2的源极与所述输入端接地GND连接，外部时钟信号输入CLK、电压控制信号输入V_Ctrl和频率控制信号输入F_Ctrl均与MCU连接；

所述输出端正极V_out与电容C4正极之间设有串联的电阻R3和R4；

所述输出脉冲驱动电路包括功率开关管Q5、Q6、电阻R1、R2及变压器T2、T3，所述功率开关管Q5、Q6栅极与MCU输出的PWM信号连接，功率开关管Q5、Q6源极与所述输入端接地GND连接，功率开关管Q5、Q6漏极分别与电阻R1、R2的一端连接，电阻R1、R2的另一端与所述输入端正极V_in连接，电阻R1、R2分别与变压器T2、T3原边并联。

所述脉冲发生电路包括功率开关管Q7、Q8、Q9、Q10、电阻R7、R8、R9、R10，所述功率开关管Q7、Q8的栅极和源极分别与变压器T2的两组副边线圈连接，所述功率开关管Q9、Q10的栅极和源极分别与变压器T3的两组副边线圈连接，所述脉冲发生电路功率开关管Q7的源集和漏极分别与电阻R7的两端连接、功率开关管Q8的源集和漏极分别与电阻R8的两端连接、功率开关管Q9的源集和漏极分别与电阻R9的两端连接、功率开关管Q10的源集和漏极分别与电阻R10的两端连接，功率开关管Q7的源极与功率开关管Q8的漏极连接，功率开关管Q8的源极与功率开关管Q9的漏极连接，功率开关管Q9的源极与功率开关管Q10的漏极连接，功率开关管Q7的漏极与所述四倍压整流电路的电容C4正极连接，功率开关管Q10的源极与所述输出端接地PGND连接，功率开关管Q8的源极与电阻R3和R4的公共点连接。

所述输出反馈电路包括分压电阻R5和R6、隔离运放及模数转换芯片AD，电阻R5一端与功率开关管Q7的漏极连接，电阻R5的另一端与电阻R6连接，电阻R6的另一端与所述输出端接地PGND连接，隔离运放的输入端与电阻R5和R6的公共点连接，隔离运放的输出端与数模转换芯片AD的输入端连接，数模转换芯片AD的输出端与MCU连接。由R5、R6分压的得到的电压信号与隔离运放的输入端相连，隔离运放的输出信号输入至模数转换芯片AD的模拟量输入端，通过模数转换后将数字量送至MCU。