CN106602865B - 一种储能电容充电电路及脉冲激光电源 - Google Patents

一种储能电容充电电路及脉冲激光电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种储能电容充电电路及脉冲激光电源。该储能电容充电电路，包括：输出电压可调节的稳压电源、电压取样模块、第一控制模块和第二控制模块；其中，电压取样模块，用于在稳压电源为储能电容充电的过程中，对储能电容的电压进行取样，获得电压取样信号；第一控制模块，用于当电压取样信号大于第一阈值时，使稳压电源停止为储能电容充电；当电压取样信号小于第二阈值时，使第二控制模块根据充电电流的大小，采用反馈控制的方式，调整稳压电源的输出电压；第一阈值大于第二阈值。该脉冲激光电源包括储能电容充电电路。本发明解决了充电电路为储能电容充电时产生瞬间大峰值功耗及电流尖峰的问题。

Description

一种储能电容充电电路及脉冲激光电源
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种储能电容充电电路及脉冲激光电源。
背景技术
半导体泵浦脉冲固体激光器是一种通过激光二极管光源泵浦固体激光工作物质，通过光学谐振腔及调Q装置产生固定波长脉冲激光的固体激光器，其中激光二极管由半导体泵浦脉冲激光电源驱动。半导体泵浦脉冲激光电源输出一定脉冲频率、脉冲宽度和幅度的电流驱动激光二极管产生泵浦光，泵浦光泵浦固体激光工作物质产生激光。
由于激光二极管瞬时输出功率高，平均功率相对较低，所以目前大多数脉冲激光电源都采用储能元件进行电能量存储，在电路中的储能元件一般为电容。采用电容储能的脉冲激光电源包括顺序连接的充电电路、储能电容装置和脉冲放电控制电路。其中，充电电路以较低的功率为储能电容装置充电，储能电容装置通过脉冲放电控制电路为激光二极管提供较大的瞬时功率输出。
通常由于应用条件的限制，对脉冲激光电源的供电电压和功耗有一定的要求，因此必须通过电源变换电路将供电电压转换为激光二极管工作所需电压，同时满足脉冲激光电源的峰值功耗小于应用条件要求的最大功耗。在脉冲激光电源中，充电电路包括电源变换电路。充电电路在为储能电容装置充电时可以采用恒压充电或者恒流充电。由于储能电容装置的负载为容性，且储能电容装置的电容工作在脉冲放电状态，如果充电电路采用稳压模块为电容充电，那么在电容放电后电容电压下降较大，稳压模块中的稳压电源电路会产生较大的输出电流尖峰，稳压电源电路的输入侧也需要输入较大电流，瞬时峰值功耗会很高，远超出平均输入功率限制指标，甚至对脉冲激光电源造成损害，因此充电电路一般选择具有恒流充电控制功能的电源电路。当基于稳压模块通过外围电路实现恒流控制时，如果仅采用电流取样闭环反馈的方式控制稳压电源电路的调节端，在储能电容装置充满后电流趋近于零，储能电容装置输出电压最大，这时电容瞬时放电，电容电压瞬时大幅下降，同样会产生瞬间电流尖峰，产生较大瞬时功耗。
发明内容
本发明提供一种储能电容充电电路及脉冲激光电源，用以解决现有脉冲激光电源瞬时功耗高的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来解决的：
本发明提供了一种储能电容充电电路，储能电容充电电路，包括：输出电压可调节的稳压电源、电压取样模块、第一控制模块和第二控制模块；其中，所述电压取样模块，用于在所述稳压电源为储能电容充电的过程中，对所述储能电容的电压进行取样，获得电压取样信号；所述第一控制模块，用于当所述电压取样信号大于第一阈值时，使所述稳压电源停止为所述储能电容充电；当所述电压取样信号小于第二阈值时，使所述第二控制模块根据充电电流的大小，采用反馈控制的方式，调整所述稳压电源的输出电压；所述第一阈值大于所述第二阈值。
其中，所述第一控制模块包括：滞回比较电路和开关MOS管；其中，所述滞回比较电路分别连接电压基准信号的输出端、所述电压取样模块和所述开关MOS管；所述开关MOS管分别连接所述滞回比较电路、参考点和接地点；所述参考点还连接所述稳压电源的调节端和所述第二控制模块；所述滞回比较电路，用于接收所述电压取样模块输入的电压取样信号，在所述电压取样信号大于所述第一阈值时输出高电平，在所述电压取样信号小于所述第二阈值时输出低电平；所述滞回比较电路根据所述电压基准信号确定所述第一阈值和所述第二阈值；所述开关MOS管，用于在所述滞回比较电路输出高电平时导通，使所述稳压电源的调节端通过所述参考点连接接地点，以便将所述稳压电源的输出电压调节到最小输出电压；所述开关MOS管，还用于在所述滞回比较电路输出低电平时截止，使所述稳压电源的调节端电压通过所述参考点受所述第二控制模块控制。
其中，所述第二控制模块包括：充电电流采样电路和反馈电路；其中，所述充电电流采样电路分别连接所述储能电容、所述反馈电路、所述参考点和所述接地点；所述反馈电路分别连接所述充电电流采样电路、电流基准信号的输出端和所述参考点；所述充电电流采样电路，用于对所述储能电容的电流进行采样，获得电流采样信号；所述反馈电路，用于在所述参考点和所述稳压电源的调节端导通时，根据所述电流采样信号和所述电流基准信号的偏差，调节所述稳压电路的调节端电压，使所述电流采样信号的值向所述电流基准信号的值变化。
其中，在所述稳压电源的正极和所述储能电容的正极之间设置第一二极管；所述第一二极管，用于在所述稳压电源的输出电压小于所述储能电容的电压时截止。
其中，在所述稳压电源的调节端和所述参考点之间设置第二二极管；所述第二二极管，用于在所述参考点的电压大于所述稳压电源的内部基准电压时截止。
其中，在所述稳压电源的调节端和所述第二二极管之间设置第一分压电阻；在所述参考点和所述反馈电路之间设置第二分压电阻；在所述参考点和所述接地点之间设置第三分压电阻。
本发明还提供了一种脉冲激光电源，包括上述的储能电容充电电路。
本发明有益效果如下：
本发明基于输出电压可调的稳压电源，设计了脉冲激光电源储能电容恒流充电控制电路，该电路实现对储能电容恒流充电，同时解决了充电电路为储能电容充电时产生瞬间大峰值功耗及电流尖峰的问题。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的脉冲激光电源的结构图；
图2是根据本发明第一实施例的储能电容充电电路的结构图；
图3是根据本发明第二实施例的储能电容充电电路的示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例一
本实施例提供一种脉冲激光电源。如图1所示，为根据本发明第一实施例的脉冲激光电源的结构图。
该脉冲激光电源包括本发明实施例提供的储能电容充电电路，还包括脉冲放电控制电路、储能电容、激光二极管、放电开关和放电电流采样电路。脉冲放电控制电路、储能电容、激光二极管、放电开关和放电电流采样电路可以与现有技术中结构相同，在此不再赘述。
储能电容充电电路，用于为储能电源充电电路中的储能电容进行充电，并在脉冲放电控制电路的控制下，该储能电容进行放电。
脉冲放电控制电路，用于控制储能电容充电电路中的储能电容放电。进一步地，脉冲放电控制电路控制放电开关按一定频率和脉冲时间宽度导通，使储能电容的电能量通过激光二极管、放电开关以及电流采样电路形成的闭合回路放电。该放电开关例如是开关MOS管。
本发明的储能电容充电电路是基于输出电压可调的稳压电源设计的对脉冲激光电源的储能电容进行恒流充电的控制电路，该储能电容充电电路实现了对储能电容恒流充电，同时解决了充电电路为储能电容充电时产生瞬间大峰值功耗及电流尖峰的问题。
下面对储能电容充电电路进行描述。本实施例还提供一种储能电容充电电路，该储能电容充电电路可以应用于本实施例提供的脉冲激光电源中，图2是根据本发明第一实施例的储能电容充电电路的结构图。图中连线的箭头代表电流或信号传输方向。
储能电容充电电路，包括：输出电压可调节的稳压电源、电压取样模块、第一控制模块和第二控制模块。稳压电源的正极连接储能电容的正极；电压取样模块并联在储能电容两端；电压取样模块的信号输出端连接第一控制模块；储能电容的负极连接第二控制模块；第一控制模块和第二控制模块分别连接参考点和接地点；参考点连接稳压电源的调节端；接地点连接稳压电源的负极。
稳压电源包括输出正(正极)、输出负(负极)和调节端。稳压电源根据调节端的电压来调节输出正的输出电压。稳压电源的输出电压上调和下调均相对于稳压电源的额定电压进行的。在输出电压允许调节范围内，稳压电源的输出电压与调节端的电压成正比。
电压取样模块，用于在稳压电源为储能电容充电的过程中，对储能电容的电压进行取样，获得电压取样信号。进一步地，电压取样模块可以采用电阻分压或者其他方式将储能电容电压转换为与其成比例的电压信号。
第一控制模块，用于当所述电压取样信号大于第一阈值时，使所述稳压电源停止为所述储能电容充电，当所述电压取样信号小于第二阈值时，使所述第二控制模块调整所述稳压电源的输出电压。进一步地，当电压取样信号大于第一阈值时，将参考点电压钳位在地电位，不受第二控制模块控制，此时调节端电压为调节端允许的最低值，对应的稳压电源输出电压最小，使稳压电源停止为储能电容充电；当电压取样信号小于第二阈值时，使第二控制模块调整参考点电压，进而控制调节端电压，达到对稳压电源的输出电压调整的目的(第一阈值大于第二阈值)。
第二控制模块，用于根据充电电流的大小采用反馈控制的方式，通过调节参考点电压来调整稳压电源输出电压，进而实现充电电流的恒定。
优选的是，第一控制模块包括：滞回比较电路和开关MOS管。
滞回比较电路分别连接电压基准信号的输出端(图2中未示出)、电压取样模块和开关MOS管。本领域技术人员可以理解的是，电压基准信号的输出端可以是现有技术中的稳压芯片的输出端，也可以是分压电路的输出端，稳压芯片或分压电路均可以输出电压基准信号。开关MOS管分别连接滞回比较电路、参考点和接地点；参考点还连接所述稳压电源的调节端和第二控制模块。
滞回比较电路的输入端连接电压取样模块的输出端，滞回比较电路的输出端连接开关MOS管的栅极；开关MOS管的漏极连接参考点、所述稳压电源的调节端和第二控制模块的反馈电路的输出端，开关MOS管的源极连接接地点和所述稳压电源的负极。
滞回比较电路，用于接收电压取样模块输入的电压取样信号，在电压取样信号大于第一阈值时输出高电平，在电压取样信号小于第二阈值时输出低电平。其中，滞回比较电路根据电压基准信号确定第一阈值和第二阈值。
开关MOS管，用于在滞回比较电路输出高电平时导通，使稳压电源的调节端通过参考点连接接地点，以便将稳压电源的输出电压调节到最小输出电压。
开关MOS管，还用于在滞回比较电路输出低电平时截止，使稳压电源的调节端电压通过参考点受第二控制模块控制，这时第二控制模块可以根据充电电流采样信号的变化采用负反馈的方式调整稳压电源的输出电压。
优选的是，第二控制模块包括：充电电流采样电路和反馈电路。
充电电流采样电路分别连接储能电容、反馈电路、参考点和接地点；反馈电路分别连接充电电流采样电路、电流基准信号的输出端和参考点。
充电电流采样电路，用于对储能电容的电流进行采样，获得电流采样信号。
反馈电路，用于在参考点和稳压电源的调节端导通时，根据电流采样信号和电流基准信号的偏差，调节稳压电源的调节端电压，使电流采样信号的值与电流基准信号的值趋于一致，即使电流采样信号的值向电流基准信号的值变化。
在本实施例中，可以在稳压电源的正极和储能电容的正极之间设置第一二极管；该第一二极管用于在稳压电源的输出电压小于储能电容的电压时截止，以便保护稳压电源。
在本实施例中，可以在稳压电源的调节端和参考点之间设置第二二极管；该第二二极管用于在参考点的电压大于稳压电源的内部基准电压时截止，以便保护稳压电源。
在本实施例中，在稳压电源的调节端和第二二极管之间设置第一分压电阻；在参考点和反馈电路之间设置第二分压电阻；在参考点和接地点之间设置第三分压电阻。第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻都用于分压。
本实施例基于输出电压可调的稳压电源设置脉冲激光电源的储能电容充电电路，稳压电源为储能电容恒流充电，不会引起稳压电源输出电流尖峰，因此不会在稳压电源输入侧产生电流尖峰，有效解决了脉冲激光电源的充电电路在电源供电和电容瞬时放电时，在供电侧产生较大的电流尖峰的问题。在激光输出功率不变的前提下，有效降低了脉冲电源和激光器整机的峰值功耗。
本实施例的储能电容充电电路适用于脉冲激光电源和其它脉冲电源。
实施例二
本实施例对脉冲激光电源的储能电容充电电路进行进一步地说明。图3是根据本发明第二实施例的储能电容充电电路的示意图。
在本实施例中，储能电容充电电路包括：稳压电源G1、二极管V1、二极管V2、储能电容C1、反馈电路、充电电流采样电路、滞回比较电路、电压取样电路、分压电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3和开关MOS管V3。其中，稳压电源G1为输出电压可调节的电源模块。
首先，对储能电容充电电路中各个元器件的连接方式进行说明：
稳压电源G1的正极连接二极管V1的正极，二极管V1的负极连接储能电容C1的正极。
电压取样电路(电压取样模块)的电压输入端连接储能电容C1的正极，电压输出端连接滞回比较电路的同向输入端。
滞回比较电路的反向输入端连接电压基准信号的输出端，输出端连接开关MOS管V3的栅极。电压基准信号的输出端为信号基准源。
开关MOS管的源极连接接地点，漏极连接A点(参考点)。接地点连接稳压电源G1的负极。
充电电流采样电路的电流输入端连接储能电容C1的负极，电流采样信号输出端连接反馈电路的运放反向输入端，电流输出端分别连接接地点、稳压电源G1的负极和分压电阻R3的一端。
反馈电路的运放同向输入端连接电流基准信号的输出端，运放输出端连接分压电阻R2的一端。电流基准信号的输出源为信号基准源。
分压电阻R2的另一端、分压电阻R3的另一端连接A点。
二极管V2的正极、分压电阻R1以及稳压电源G1的调节端顺序连接，二极管V2的负极连接A点。
其次，对储能电容充电电路中各个元器件的功能进行说明：
稳压电源G1，用于根据调节端的电压变化调节输出电压的大小。
分压电阻R1、分压电阻R2和分压电阻R3，用于分压。
在A点电压为0时，分压电阻R1与稳压电源G1内部的电阻进行分压，可以使稳压电源G1的调节端的电压为稳压电源G1允许的最小值，对应该值稳压电源G1输出最小电压UG1min。因此，分压电阻R1的作用在于：能够避免稳压电源G1的调节端的电压低于其允许的最小值而导致的稳压电源G1受损。
在反馈电路的输出电压达到最大值时，通过分压电阻R2和分压电阻R3的分压作用，A点的电压UA等于稳压电源G1调节端允许输入电压的最大值，对应该值稳压电源G1输出最大输出电压UG1max。因此，分压电阻R2和分压电阻R3的作用在于：能够避免稳压电源G1的调节端的电压高于其允许的最大值而导致的稳压电源G1受损。
二极管V1和二极管V2，用于保护稳压电源G1。
二极管V1，用于在储能电容C1的电压高于稳压电源G1的输出电压时截止，防止储能电容C1的电压高于稳压电源G1输出电压时对稳压电源G1的破坏。
二极管V2，用于在A点的电压高于稳压电源G1的内部基准电压时截止，防止由于A电压高于稳压电源G1的内部基准电压时对稳压电源G1的破坏。
电压取样电路，用于对储能电容C1进行电压取样，获得电压取样信号，并将该电压取样信号输入滞回比较电路的反向输入端。电压取样电路的形式可以有多种，其可以是电压传感器，但是，本实施例中，电源取样电路可以采用电阻分压电路，该电阻分压电路用于对储能电容C1进行分压取样。
滞回比较电路，用于根据电压基准信号确定第一阈值UCH和第二阈值UCL；当电压取样信号大于第一阈值UCH时输出高电平，当电压取样信号小于第二阈值UCL时输出低电平。第一阈值UCH大于第二阈值UCL。
开关MOS管V3，用于在滞回比较电路输出高电平时导通，在滞回比较电路输出低电平时截止。开关MOS管V3为N沟道MOSFET。
充电电流采样电路，用于根据储能电容C1输入的电流进行电流取样，并将电流值转换为电压值，将该电压值作为电流采样信号并反馈给反馈电路的运放反向输入端。
反馈电路，用于根据电流采样信号和电流基准信号的差值，调整运放输出端的输出电压，A点的电压随着运放输出端的输出电压变化，进而通过调节A点电压控制稳压电源G1调节端的电压。
最后，对储能电容充电电路中各个元器件的工作过程进行说明：
当稳压电源G1开始供电时，储能电容C1的电压为0V，电压取样电路对储能电容C1的电压进行取样，电压取样信号低于第二阈值UCL，滞回比较电路输出低电平，开关MOS管V3截止，反馈电路控制稳压电源G1的输出电压，使电流采样信号与电流基准信号趋于一致，实现恒流充电。
在稳压电源G1为储能电容C1充电的过程中，储能电容C1的电压逐渐升高，电压取样电路对储能电容C1的电压进行取样，当电压取样信号高于第一阈值UCH时，滞回比较电路输出高电平，开关MOS管V3导通，A点的电压趋近于0V，稳压电源G1的输出电压降低到UG1min，UG1min低于储能电容C1的电压，二极管V1截止，稳压电源G1停止为储能电容C1充电。
当脉冲放电控制电路控制储能电容C1放电时，储能电容C1的电压迅速下降，当电压取样信号低于第二阈值UCL时，滞回比较电路输出低电平，开关MOS管V3截止，反馈电路控制稳压电源G1的输出电压，使充电电流采样信号与电流基准信号趋于一致，实现恒流充电。
反馈电路控制稳压电源G1的输出电压，使电流采样信号与电流基准信号趋于一致，实现恒流充电的过程，具体包括：
在反馈电路比较电流采样信号和电流基准信号，当电流采样信号大于电流基准信号时，反馈电路的输出电压降低，A点电压随之降低，稳压电源G1调节端的电压也随之降低，进而稳压电源G1的输出电压也降低，使得向储能电容C1输出的电流降低并趋近于基准电流值。当电流采样信号小于基准电流值时，反馈电路的输出电压升高，A点电压随之升高，稳压电源G1调节端的电压也随之升高，进而稳压电源G1的输出电压也升高，使得向储能电容C1输出的电流增加并趋近于基准电流值。
在本实施例中，储能电容充电电路中引入了电压取样电路、滞回比较电路和开关MOS管，储能电容C1放电后A点电压由0V逐渐上升，稳压电源G1输出电压由UG1min逐渐升高，并且只有当稳压电源G1的输出电压高于储能电容C1电压时充电电流才会建立，进入恒流充电阶段。
通过本实施例，可有效减小反馈控制回路引起的充电电流过冲。如果不加入上述电压取样电路、滞回比较电路和开关MOS管V3组成的控制电路，当恒流充电结束后，由于充电电流接近于0A，反馈电路必然提升A点的电压直到稳压电源G1的调节端电压达到最大值(对应稳压电源G1的额定电压)。此时储能电容C1放电并产生较大的电压跌落，必然引起稳压电源G1的输出侧产生大的充电电流尖峰，同时供电侧产生较大的输入电流尖峰，所以本发明实施例避免了这种问题的发生。
本实施例基于输出电压可调的稳压电源为储能电容进行恒流充电，引入根据储能电容的电压变化改变稳压电源的输出电压的滞回比较电路，避免单纯采用恒流充电控制或用稳压电源不加控制直接为电容充电时，在电容瞬时放电后引起充电电流尖峰和供电输入电流尖峰的问题。
本实施例当电容的电压超过UCH后，将稳压电源的输出电压钳位在输出电压最小值，使得电容放电时稳压电源不为电容充电，避免了放电时大电流脉冲对充电电路产生的干扰，，提高了电路可靠性。
本实施例基于输出电压可调的高功率密度电源实现储能电容的恒流充电，有利于提高稳压电源的功率密度，在同等功率下减小电路体积。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (2)

1.一种储能电容充电电路，其特征在于，
储能电容充电电路，包括：输出电压可调节的稳压电源、电压取样模块、第一控制模块和第二控制模块；其中，
所述电压取样模块，用于在所述稳压电源为储能电容充电的过程中，对所述储能电容的电压进行取样，获得电压取样信号；
所述第一控制模块，用于当所述电压取样信号大于第一阈值时，使所述稳压电源停止为所述储能电容充电；当所述电压取样信号小于第二阈值时，使所述第二控制模块根据充电电流的大小，采用反馈控制的方式，调整所述稳压电源的输出电压；所述第一阈值大于所述第二阈值；
所述第一控制模块包括：滞回比较电路和开关MOS管；其中，
所述滞回比较电路分别连接电压基准信号的输出端、所述电压取样模块和所述开关MOS管；所述开关MOS管分别连接所述滞回比较电路、参考点和接地点；所述参考点还连接所述稳压电源的调节端和所述第二控制模块；
所述滞回比较电路，用于接收所述电压取样模块输入的电压取样信号，在所述电压取样信号大于所述第一阈值时输出高电平，在所述电压取样信号小于所述第二阈值时输出低电平；所述滞回比较电路根据所述电压基准信号确定所述第一阈值和所述第二阈值；
所述开关MOS管，用于在所述滞回比较电路输出高电平时导通，使所述稳压电源的调节端通过所述参考点连接接地点，以便将所述稳压电源的输出电压调节到最小输出电压；
所述开关MOS管，还用于在所述滞回比较电路输出低电平时截止，使所述稳压电源的调节端电压通过所述参考点受所述第二控制模块控制；
所述第二控制模块包括：充电电流采样电路和反馈电路；其中，
所述充电电流采样电路分别连接所述储能电容、所述反馈电路和所述接地点；所述反馈电路分别连接所述充电电流采样电路、电流基准信号的输出端和所述参考点；
所述充电电流采样电路，用于对所述储能电容的电流进行采样，获得电流采样信号；
所述反馈电路，用于在所述参考点和所述稳压电源的调节端导通时，根据所述电流采样信号和所述电流基准信号的偏差，调节所述稳压电源的调节端电压，使所述电流采样信号的值向所述电流基准信号的值变化；
在所述稳压电源的正极和所述储能电容的正极之间设置第一二极管；
所述第一二极管，用于在所述稳压电源的输出电压小于所述储能电容的电压时截止；
在所述稳压电源的调节端和所述参考点之间设置第二二极管；
所述第二二极管，用于在所述参考点的电压大于所述稳压电源的内部基准电压时截止；
在所述稳压电源的调节端和所述第二二极管之间设置第一分压电阻；
在所述参考点和所述反馈电路之间设置第二分压电阻；
在所述参考点和所述接地点之间设置第三分压电阻；
其中，反馈电路的运放同向输入端连接电流基准信号的输出端，运放输出端连接第二分压电阻的一端。
2.一种脉冲激光电源，其特征在于，包括权利要求1所述的储能电容充电电路。
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