CN110994356B

CN110994356B - 一种用于脉冲激光器的恒流电源电路

Info

Publication number: CN110994356B
Application number: CN201911303445.6A
Authority: CN
Inventors: 严国鹏; 卢昆忠; 闫大鹏; 胡慧璇; 王志源
Original assignee: Wuxi Ruike Fiber Laser Technology Co ltd
Current assignee: Wuxi Ruike Fiber Laser Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: CN110994356A

Abstract

本发明实施例提供一种用于脉冲激光器的恒流电源电路，包括电流采样电路、启动电路和控制电路，其中：所述电流采样电路，用于对输入电流和输出电流进行采样，得到对应的第一电压信号和第二电压信号；所述启动电路，用于判断所述第一电压信号是否大于预设阈值，若大于，则启动所述启动电路中的电压调整器，输出第三电压信号，以使得所述控制电路对所述输出电流进行调整；所述控制电路，用于根据所述第二电压信号，对所述输出电流的大小和频率进行调整，以用于为脉冲激光器提供恒流电源。本发明实施例提高了激光器的能量转换效率。

Description

一种用于脉冲激光器的恒流电源电路

技术领域

本发明涉及电源电路技术领域，尤其涉及一种用于脉冲激光器的恒流电源电路。

背景技术

激光器在焊接、材料表面改性和打标等诸多行业是必不可少的加工设备。由于激光器光源的负载特性，在其工作过程中需要使用到恒流电源电路，即将电网能量转换为激光器工作所需要的恒流能量。

现有的激光器恒流电源，多采用两级能量转换电路，即第一级采用降压恒压电路，第二级采用线性恒流电路。然而，在这种电路结构下的能量转换过程中，两级能量转换对应的转换效率分别为η₁和η₂，在经过两级能量转换后，转换效率为η＝η₁×η₂，由于线性恒流电路的能量转换效率很低，导致激光器恒流电源的整体能量转换效率较低。

因此，现在亟需一种用于脉冲激光器的恒流电源电路来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种用于脉冲激光器的恒流电源电路。

本发明实施例提供了一种用于脉冲激光器的恒流电源电路，包括电流采样电路、启动电路和控制电路，其中：

所述电流采样电路，用于对输入电流和输出电流进行采样，得到对应的第一电压信号和第二电压信号；

所述启动电路，用于判断所述第一电压信号是否大于预设阈值，若大于，则启动所述启动电路中的电压调整器，输出第三电压信号，以使得所述控制电路对所述输出电流进行调整；

所述控制电路，用于根据所述第二电压信号，对所述输出电流的大小和频率进行调整，以用于为脉冲激光器提供恒流电源。

进一步地，所述启动电路包括第一电阻、第二电阻、电压调整器、第一电容、稳压二极管和第一运算放大器，其中，所述启动电路通过所述第一电阻和所述第二电阻进行分压采样，若所述第二电阻的电压大于预设阈值时，则通过所述电压调整器输出第三电压信号，以使得所述第一运算放大器开启。

进一步地，所述电流采样电路包括输入电流采样电路和输出电流采样电路，其中：

所述输入电流采样电路是由第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一放大器、第二运算放大器、第二电容和第三电容组成，用于将输入电流转换为第一电压信号，并通过所述第四电阻、所述第五电阻和所述第二电容对所述第一电压信号进行滤波处理，得到滤波处理后的第一电压信号；

所述输出电流采样电路是由第七电阻、第八电阻、第九电阻和第四电容组成，用于将输出电流转换为第二电压信号，并通过所述第八电阻、所述第九电阻和所述第四电容对所述第二电压信号进行滤波处理，得到滤波处理后的第二电压信号。

进一步地，所述控制电路包括输出电流调整电路和输出电流频率调整电路，其中：

所述输出电流调整电路是由第十电阻、第六电容和第一调理电路组成，用于对输出电流的大小进行调整，所述第一调理电路是由第一比较器、第十一电阻、三极管、电流镜、第一误差放大器、第二比较器、振荡器、第十二电阻、第七电容、第八电容、第一运算放大器、同步控制器、第三运算放大器、电感、第一场效应管和第二场效应管组成；

所述输出电流频率调整电路是由第十三电阻、第九电容和第二调理电路组成，用于对输出电流的频率进行调整，所述第二调理电路是由第三比较器和第三场效应管组成。

进一步地，所述用于脉冲激光器的恒流电源电路还包括：过压过流保护电路，所述过压过流保护电路是由第四比较器、第五比较器、第六比较器、第二放大器、第十四电阻、第十五电阻、第十电容和逻辑门电路组成，用于将采样得到的电压信号和基准电压进行比较，并根据比较结果，生成相应的过压过流告警信号。

进一步地，所述用于脉冲激光器的恒流电源电路还包括：电流环补偿电路，所述电流环补偿电路是由第十六电阻、第四场效应管、第十一电容、二极管和第二误差放大器组成，用于对电流环路的相位裕量和幅值裕量进行调整。

进一步地，所述用于脉冲激光器的恒流电源电路还包括：电压采样电路，所述电压采样电路是由第十七电阻、第十八电阻和第十九电阻组成，用于对所述第二电压信号进行分压采样，并将分压采样后的输出电压输入到所述过压过流保护电路。

本发明实施例提供的一种用于脉冲激光器的恒流电源电路，通过调节输入的模拟量大小，从而精确地调整负载的输出电流大小，以使得电流调整过程快速稳定；同时，通过调节另一路的输入信号的频率，以调节输出电流频率，提高了能量转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于脉冲激光器的恒流电源电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的用于脉冲激光器的恒流电源电路的电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的激光器恒流电源，多采用两级能量转换电路，在该电路结构下的能量转换过程中，整体能量转换效率较低，并且采用两级能量转换会占用更多的安装空间和制造成本，这些缺陷与激光器的的小型化和高效率的要求是相悖的。针对目前激光器能量转换的技术缺陷，本发明实施例提供了一种用于脉冲激光器的恒流电源电路，该恒流电源电路采用一级能量转换电路，能够满足功率500W以内的激光器，使得激光器更加小型化，提高了能量转换效率，降低了激光器的制作成本。本发明实施例提供的用于脉冲激光器的恒流电源电路，最大调节频率可达到数十千赫兹，并且提供了良好的过压过流保护机制，避免了对激光器负载的损坏。

图1为本发明实施例提供的用于脉冲激光器的恒流电源电路的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种用于脉冲激光器的恒流电源电路，包括电流采样电路101、启动电路102和控制电路103，其中：

所述电流采样电路101，用于对输入电流和输出电流进行采样，得到对应的第一电压信号包括第一电压信号和第二电压信号；

所述启动电路102，用于判断所述第一电压信号是否大于预设阈值，若大于，则启动所述启动电路102中的电压调整器，输出第三电压信号，以使得所述控制电路103对所述输出电流进行调整；

所述控制电路103，用于根据所述第二电压信号，对所述输出电流的大小和频率进行调整，以用于为脉冲激光器提供恒流电源。

在上述实施例的基础上，图2为本发明实施例提供的用于脉冲激光器的恒流电源电路的电路图，可参考图2所示，所述启动电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、电压调整器、第一电容C1、稳压二极管D1和第一运算放大器A1。具体地，第一电阻R1的第一端，与第三电阻R3和第四电阻R4的第一端连接，第一电阻R1的第二端和第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端接地，电压调整器的第一端连接第一电阻R1的第二端和第二电阻R2的第一端，电压调整器的第二端连接第一电容C1的第一端和稳压二极管D1的输入端，第一电容C1的第二端接地，稳压二极管D1的输出端和第一运算放大器A1的驱动端连接。其中，所述启动电路通过所述第一电阻R1和所述第二电阻R2进行分压采样，若所述第二电阻R2的电压大于预设阈值时，则开启电压调制器，以使得第三电压信号从所述电压调整器输出，从而开启第一运算放大器A1，其中，第三电压信号为5V。在本发明实施例中，通过第一电阻R1和第二电阻R2进行分压采样，当第二电阻R2的电压大于预设阈值时，后级的电压调整器才可输出电压，以使得后级的控制电路开启，也就是说，只有当输入电压大于预设阈值时，整个恒流电源电路才能正常工作。

在上述实施例的基础上，所述电流采样电路包括输入电流采样电路和输出电流采样电路，其中：

所述输入电流采样电路是由第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一放大器、第二运算放大器A2、第二电容C2和第三电容C3组成，用于将输入电流转换为第一电压信号，并通过所述第四电阻、所述第五电阻和所述第二电容组成的π型滤波器，对所述第一电压信号进行滤波处理，得到滤波处理后的第一电压信号，并将滤波处理后的第一电压信号传入到后级电路；其中，在本发明实施例中，可参考图2所示，第三电阻R3的第一端和第四电阻R4的第一端连接，第三电阻R3的第二端和第五电阻R5的第一端连接，第四电阻R4和第五电阻R5的第二端分别和第二电容C2的两端连接，第二电容C2的两端还连接第一放大器的第一端，第一放大器的第二端和第二运算放大器A2的输入端连接，第二运算放大器A2的输出端和第六电阻R6的第一端连接，第六电阻R6的第二端和第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端接地。

所述输出电流采样电路是由第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第四电容C4组成，用于将输出电流转换为第二电压信号，并通过所述第八电阻R8、所述第九电阻R9和所述第四电容C4组成的π型滤波器，对所述第二电压信号进行滤波处理，得到滤波处理后的第二电压信号，并将滤波处理后的第二电压信号传入到后级电路。其中，可参考图2所示，优选地，在本发明实施例中，输出电流采样电路中还包括第五电容C5，其中，第七电阻R7的第一端连接第八电阻R8的第二端，第七电阻R7的第二端连接第九电阻R9的第二端、第五电容C5的第一端以及激光器负载的第一端，第八电阻R8的第一端连接第四电容C4的第一端，第四电容C4的第二端连接第九电阻R9的第一端，第五电容C5的第二端接地。需要说明的是，在本发明实施例中，第一电压信号是通过对输入电流进行采样获取得到的；第二电压信号是通过对输出电流进行采样获取得到的。

在上述实施例的基础上，所述控制电路包括输出电流调整电路和输出电流频率调整电路，其中：

所述输出电流调整电路是由第十电阻R10、第六电容C6和第一调理电路组成，用于对输出电流的大小进行调整，所述第一调理电路是由第一比较器、第十一电阻R11、三极管、电流镜、第一误差放大器、第二比较器、振荡器、第十二电阻R12、第七电容C7、第八电容C8、第一运算放大器A1、同步控制器、第三运算放大器A3、电感L、第一场效应管Q1和第二场效应管Q2组成，在本发明实施例中，可参考图2所示，第十电阻R10的一端连接第一比较器和第六电容C6的第一端，第六电容C6的第二端接地，第一比较器的另外两端分别连接第十一电阻R11的第一端和三极管(NPN)的基极，第十一电阻R11的第一端连接三极管的发射极，第十一电阻R11的第二端接地，三极管的集电极连接电流镜的一端，电流镜的另一端连接第一误差放大器的第一端，第二误差放大器的第二端连接输出电流采样电路，第二误差放大器的第三端连接第二比较器的第一端，第二比较器的第二端连接启动电路，第二比较器的第三端连接振荡器的一端，振荡器的另一端连接第十二电阻R12，第七电容C7的第一端连接第一场效应管Q1的第一端，第七电容C7的第二端接地，第一场效应管Q1的第二端连接第一运算放大器A1的输出端，第一场效应管Q1的第三端连接第二场效应管Q2的第一端，第二场效应管Q2的第二端连接第三运算放大器A3的输出端，第三运算放大器A3的输入端连接同步控制器的第一端，同步控制器的第二端连接第一运算放大器A1的输入端，第二场效应管Q2的第三端接地，第八电容C8的第一端连接启动电路，第八电容C8的第二端连接电感L的一端，电感L的另一端连接输出电流采样电路。具体地，输入信号经过输出电流调整电路的第十电阻R10和第六电容C6组成的τ型滤波器，进行噪声滤除，再经过第一比较器调整电流镜的电流，然后，将经过第一误差放大器的电阻上产生的电压与输出电流采样电路采集的电压(第二电压信号)进行比较，并将输出信号输入至第二比较器，在第二比较器上与振荡器的电压比较，从而控制输出至第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的信号，进而调整输出电流的大小。

所述输出电流频率调整电路是由第十三电阻R13、第九电容C9和第二调理电路组成，用于对输出电流的频率进行调整，所述第二调理电路是由第三比较器和第三场效应管Q3组成。在本发明实施例中，可参考图2所示，第十三电阻R13的一端连接第九电容C9的第一端，第九电容C9的第一端连接第三比较器的一端，第三比较器的另一端分别连接第四场效应管Q4和第三场效应管Q3的第二端，第三场效应管Q3的第一端连接激光器负载的第二端，第三场效应管Q3的第三端接地，第九电容C9的第二端接地。具体地，输入信号经过输出电流频率调整电路的第十三电阻R13、第九电容C9组成的τ型滤波器，进行噪声滤除，再与第三比较器的基准电压1.5V进行比较，只有当输入的电压高于1.5V时，第三比较器才能输出信号至第三场效应管Q3，从而打开负载到地的回路，形成通路产生电流。若低于1.5V时，第三比较器无信号输出至第三场效应管Q3，无法形成通路产生电路。因此，只要通过改变输入信号的频率，即可控制输出电流频率。

在上述实施例的基础上，所述用于脉冲激光器的恒流电源电路还包括：过压过流保护电路，所述过压过流保护电路是由第四比较器、第五比较器、第六比较器、第二放大器、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十电容C10和逻辑门电路组成，用于将所述第二电压信号和基准电压进行比较，并根据比较结果，生成相应的过压过流告警信号。在本发明实施例中，可参考图2所示，第四比较器、第五比较器的一端和电压采样电路连接，另一端连接对应的逻辑门电路；第六比较器的一端连接启动电路和逻辑门电路，第六比较器的另一端连接第十四电阻R14的第一端以及第二放大器的第一端，第十四电阻R14的第二端连接第十电容的第一端，第十电容的第二端接地，第二放大器的第二端和第三端连接输出电流采样电路，第十五电阻R15的第一端连接逻辑门电路，第十五电阻R15的第二端接地。具体地，过压过流保护电路将采样得到的电压信号分别与第四比较器和第五比较器的基准电压比较，当采集到的输出电压低于0.25V或高于1.16V时，第四比较器或第五比较2输出信号；输出电流的采样信号经过第二放大器后，与第六比较器的基准电压0.1V比较，当高于0.1V时，第六比较器输出信号。需要说明的是，在本发明实施例中，第四比较器、第五比较器和第六比较器中任意一个信号，均可在引脚上输出故障信号，达到告警的目的。

在上述实施例的基础上，所述用于脉冲激光器的恒流电源电路还包括：电流环补偿电路，所述电流环补偿电路是由第十六电阻R16、第四场效应管Q4、第十一电容C11、二极管D2和第二误差放大器组成，用于对电流环路的相位裕量和幅值裕量进行调整。在本发明实施例中，可参考图2所示，第十一电容C11的第一端连接第十六电阻R16的第二端，第十一电容C11的第二端接地，第十六电阻R16的第一端连接第四场效应管Q4的第一端，第四场效应管Q4的第二端连接过压过流保护电路，第四场效应管Q4的第三端连接输出电流调整电路，二极管D2的输入端连接输出电流调整电路，二极管D2的输出端连接第二误差放大器的一端，第二误差放大器的另一端连接过压过流保护电路。

在上述实施例的基础上，所述用于脉冲激光器的恒流电源电路还包括：电压采样电路，所述电压采样电路是由第十七电阻R17和第十八电阻R18组成，用于对所述第二电压信号进行分压采样，并将分压采样后的第二电压信号输入到所述过压过流保护电路。优选地，在本发明实施例中，可参考图2所示，电压采样电路还包括第十九电阻R19，其中，第十七电阻R17的第一端连接输出电流采样电路，第十七电阻R17的第二端连接第十八电阻R18的第一端和过压过流保护电路，第十八电阻R18的第二端接地，第十九电阻R19的第一端连接输出电流调整电路，第十九电阻R19的第二端连接输出电流频率调整电路。

在本发明另一实施例中，可参考图2所示，当Vin的幅值大于预设阈值时，电压调整器开始输出电压，开启第一场效应管Q1的驱动脉冲通道；输入电流流经第三电阻R3至第一场效应管Q1的上端，此时第一场效应管Q1在驱动脉冲的作用下开启，由于第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的驱动脉冲是互补的，所以此时第二场效应管Q2无法开通。进而，电流流过第一场效应管Q1后，接着流过电感L和第七电阻R7，从而经过激光器负载；进一步地，如果在PWM_Ctrl处施加高于1.5V电压幅值的电平，第三场效应管Q3就会在驱动脉冲的作用下开通，输出电流就会继续流过第三场效应管Q3，流入GND，最终形成了回路产生电流；而当场第一场效应管Q1的驱动脉冲为低时，第二场效应管Q2的驱动脉冲为高，那么第二场效应管Q2就会导通，由于电感L的存在，输出电流不会立刻消失，会继续沿着第七电阻R7和激光器负载直到流入大地，由于第二场效应管Q2是与GND相连的，故而接着会反向流过第二场效应管Q2，直到回到电感L的另一端完成回路，达到了续流的目的，在本发明实施例中，通过公式：

得到电感L的阻值，使得在整个工作过程中，输出电流都是连续的，其中，为了尽可能减少漏磁，封装采用磁芯骨结构，例如，RM或PM等磁芯。具体地，在本发明实施例中，电压调整器的开启电压为1.52V，因此，第一电阻R1和第二电阻R2的配置可根据输入电压和电压调整器门槛电压确定；第三电阻R3和第七电阻R7的采样电阻取值可由公式R＝1.5/(30×Io)确定，其中，第三电阻R3和第七电阻R7需要采用2512大封装，高功率的采样电阻；第四电阻R4和第五电阻R5选取阻值为1kΩ的电阻；第二电容C2选取电容量为1uF的电容，采用0603封装的X7R贴片阻容；第六电阻R6和第三电容C3可采用现有τ型滤波的设计规则，分别选取10Ω电阻和10pF电容(0603封装的X7R贴片阻容)；第七电容C7作为输入电压的高频滤波器使用，选取0603封装的4.7uF电容；第一电容C1作为内部调整器的输出电压，一般选取22uF的0805封装电容；第八电容C8选取0603封装的220nF电容；稳压二极管D1的型号为DFLS260L的肖特基二极管；第一场效应管Q1和第三场效应管Q3选取N沟道的MOS管，具体的选取需要根据输入电压来选取，一般MOS的耐压值降额60％等于输入电压；第二场效应管Q2也选取N沟道的MOS管，因为第二场效应管Q2作为续流使用的，除了耐压要求和第一场效应管Q1一致之外，最重要的是其反向恢复时间指标，因而为了保证反向恢复时间问题，在本发明实施例中，会并联一个肖特基二极管；第十二电阻R12的选取决定了振荡器的频率，频率范围为200kHz—1MHz，当频率为200kHz时，第十二电阻R12为221kΩ，当频率为1MHz时，第十二电阻R12为40.2kΩ，在本发明实施例中，可根据实际需求选取第十二电阻的电阻值；第十六电阻R16和第十一电容C11的取值需要根据实际的幅值裕量和相位裕量选取；第十三电阻R13、第九电容C9、第十电阻R10、第六电容C6、第十四电阻R14和第十电容C10用于对相应地输入或者输出信号进行滤波，其对应的电阻和电容分别为100Ω和470pF；第八电阻R8、第九电阻R9和第四电容C4基于π型滤波的一般规则，对应的规格分别为10Ω、10Ω和33NF；第十七电阻R17和第十八电阻R18的通过公式：Vout＝(R17/R18+1)×1.206，并根据得到的输出电压来确定第十七电阻R17和第十八电阻R18的阻值；第十五电阻R15作为ERR的上拉电阻，在本发明实施例中，选取大于10kΩ以上的电阻。

进一步地，当输出电流增大时，第七电阻R7上的电压也会增大；而第一误差放大器左侧的信号电压取决于控制输入模拟量的大小，此时是不变的。则经过第一误差放大器后，第一误差放大器的输出信号会变大，使得信号在第二比较器中与振荡器信号进行比较，由于振荡器信号的频率是不会改变的，而第二比较器左侧的电压增大了，进而比较之后就会导场第一场效应管Q1的驱动信号的开通时间变短，输入到负载的能量就会降低，而负载是不变的，进而将使得输出电流变小，达到了恒流输出的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种用于脉冲激光器的恒流电源电路，其特征在于，包括电流采样电路、启动电路和控制电路，其中：

所述控制电路，用于根据所述第二电压信号，对所述输出电流的大小和频率进行调整，以用于为脉冲激光器提供恒流电源；

所述启动电路包括第一电阻、第二电阻、电压调整器、第一电容、稳压二极管和第一运算放大器，其中，所述启动电路通过所述第一电阻和所述第二电阻进行分压采样，若所述第二电阻的电压大于预设阈值时，则通过所述电压调整器输出第三电压信号，以使得所述第一运算放大器开启；所述电流采样电路包括输入电流采样电路和输出电流采样电路，其中：

所述输出电流采样电路是由第七电阻、第八电阻、第九电阻和第四电容组成，用于将输出电流转换为第二电压信号，并通过所述第八电阻、所述第九电阻和所述第四电容对所述第二电压信号进行滤波处理，得到滤波处理后的第二电压信号；所述控制电路包括输出电流调整电路和输出电流频率调整电路，其中：

2.根据权利要求1所述的用于脉冲激光器的恒流电源电路，其特征在于，所述用于脉冲激光器的恒流电源电路还包括：过压过流保护电路，所述过压过流保护电路是由第四比较器、第五比较器、第六比较器、第二放大器、第十四电阻、第十五电阻、第十电容和逻辑门电路组成，用于将采样得到的电压信号和基准电压进行比较，并根据比较结果，生成相应的过压过流告警信号。

3.根据权利要求1所述的用于脉冲激光器的恒流电源电路，其特征在于，所述用于脉冲激光器的恒流电源电路还包括：电流环补偿电路，所述电流环补偿电路是由第十六电阻、第四场效应管、第十一电容、二极管和第二误差放大器组成，用于对电流环路的相位裕量和幅值裕量进行调整。

4.根据权利要求2所述的用于脉冲激光器的恒流电源电路，其特征在于，所述用于脉冲激光器的恒流电源电路还包括：电压采样电路，所述电压采样电路是由第十七电阻和第十八电阻组成，用于对所述第二电压信号进行分压采样，并将分压采样后的第二电压信号输入到所述过压过流保护电路。