CN111224542A - 一种应用于小型化serf磁强计激光器电流源的电源模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种应用于小型化SERF磁强计激光器电流源的电源模块，包括四路高性能低压差线性稳压器、高精度低ESR/ESL陶瓷电容、固态贴片电解电容、高抗扰贴片电阻、隔离稳压双路DC/DC电源模块、输入输出接口；该电源模块通过电源接口输入15V直流电压，通过线性稳压芯片和外围电路，输出四路±15V、±12V几乎恒定的低噪声输出电压；本发明包含高性能低噪声电源模块的测试模块，测试模块包括输入接口、开关、滤波电容、保险装置、电源模块接口、电流源模块接口、信号输入输出端口；本发明为小型化SERF磁强计激光器电流源提供稳定电压，可实现高性能电压缓冲器的高精度电流基准，具有降低噪声、增加输出电流等特点。

Description

一种应用于小型化SERF磁强计激光器电流源的电源模块
技术领域
本发明属于小型化SERF磁强计设计技术领域，具体涉及一种激光器电流源的高性能低噪声电源模块，用于电流源电路的输出信号质量和降低电源纹波，是一种良好稳定的激光器的电源供电系统。
背景技术
随着现代科技的发展，高分辨率磁强计在国民经济、国防技术、医疗卫生以及科学探索等各个领域的需求日益显现，目前在矿产勘探、地震预测、反潜、脑磁心磁探测、物理研究、空间探测等领域，高分辨率的磁强计大有用武之地。SERF态原子磁强计的分辨率不仅远远超过了同样基于量子效应的隧道式磁强计，而且达到甚至超过了占据超高精度磁测领域几十年的超导量子干涉磁强计。另外，SERF态原子磁强计不需要致冷，具有小型化和芯片化的潜力，超高精度原子磁强计目前已经用于基本物理验证、脑磁检测和材料科学研究等可屏蔽磁场探测领域,推动了这些领域的更新换代和前沿探索。
半导体激光器依靠电流注入工作，因此应对其注入载流子使激光器工作，同时对电流的大小进行控制，使电流稳定在合适的大小，从而保证激光器可靠工作并且输出功率、频率稳定。对于激光器的电流控制，很难有一个普适性的电路或方法，根据具体需求的不同，电流控制的方法与相应电路也不相同，但对于任何激光器驱动电路而言，其基本结构都应是可调的恒流源，且噪声低，并具有软启动、关断以及防止涌浪的功能。半导体激光器注入电流超过阈值电流时，输出功率与注入电流成线性关系，因此可通过控制注入电流，以实现激光器输出功率的稳定。
电源供电系统好坏，也直接影响电流源电路的输出信号质量，而电源纹波是硬件电路中重要参数之一，较大的电源纹波将会直接影响电路的信噪比，尤其在模拟电路中，它的影响将不容忽略电流源的驱动，小型化SERF磁强计激光器需要良好的电源供电系统。目前国外许多公司生产的激光器电流控制器生产的电流控制器光电流精度可达±10μA，电流控制器其光电流范围为2μA～2mA，光电流精度可达±0.1％，为了实现激光器输出稳定高精度的光电流来得到高质量的光束，需要一个高精度低纹波的供电电源模块，可实现高性能电压缓冲器的高精度电流基准。
发明内容
为了降低小型化SERF磁强计激光器电流源的噪声纹波、提高激光器光源稳定性，设计一种高性能低噪声电源模块，用于电流源电路的输出信号质量和降低电源纹波，是一种良好稳定的激光器的电源供电系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种应用于小型化SERF磁强计激光器电流源的电源模块，包括电源模块部分和测试底板部分，其中，
所述电源模块部分包括高性能低压差线性稳压器、高精度低ESR/ESL陶瓷电容、固态贴片电解电容、高抗扰贴片电阻、隔离稳压双路DC/DC电源模块、输入输出接口；固态贴片电解电容为隔离稳压双路DC/DC电源模块滤除噪声、稳定电压，隔离稳压双路DC/DC电源模块为高性能低压差线性稳压器提供正负电压供电输入，线性稳压器的输出阻抗会随频率而增加，因此在线性稳压器的输入端使用高精度低ESR/ESL陶瓷电容，并且在输出端使用更大的高精度低ESR/ESL陶瓷电容来限制峰值电压瞬变；在管脚SET和GND之间增加一个陶瓷电容可以改善噪声，PSRR和瞬态响应；使用高抗扰贴片电阻结合SET提供精确的电流稳定输出电压值，为了实现最佳的负载调节将SET引脚电阻的接地端直接连接到负载；
所述测试底板部分包括输入接口、开关、滤波电容、保险装置、电源模块接口、电流源模块接口、信号输入输出端口；输入接口接入电源，打开开关，滤波电容过滤输入电源中的噪声，保险装置起到过流熔断保护作用；输入电源经过电源模块接口、电流源模块接口分别进入电源模块和电流源模块；信号输入输出接口均为BNC接口，输入电压控制信号，可测试电源模块性能和电流源模块电流输出性能；
所述测试底板可接入电源供电模块和电流源输出模块，供电导通后，将输入控制信号通过信号输入输出端口接入测试电路，电源模块为电流源模块提供稳定电压，输出可用于激光器光源控制的恒定电流。
进一步地，LT3045是一款高性能低压差线性稳压器，其采用LTC的超低噪声和超高PSRR架构以为对噪声敏感的应用供电，LT3045的宽输出电压范围及保持单位增益操作的能力可提供几乎恒定的输出噪声、PSRR、带宽和负载调整率，该稳压器还拥有可编程电流限值、快速启动能力和用于指示输出电压调节的可编程电源良好，内置保护功能电路包括反向电池保护、反向电流保护以及具折返的内部电流限制和具迟滞的热限制。
进一步地，LT3094是一款高性能、低压差、负线性稳压器，其采用ADI的超低噪声和超高PSRR架构，可为对噪声敏感的应用供电，该稳压器可容易地并联以进一步降低噪声、增加输出电流，以及在PCB上散播热量，该稳压器的其他特点包括一个双极性使能引脚、可编程电流限值、快速启动功能和用于指示输出电压稳定的可编程电源良好，具有跟踪功能，可控制上游电源以在LT3094的两端保持一个恒定电压，从而最大限度降低功耗并优化PSRR。
进一步地，电源模块板和测试底板均为四层板，分为顶面、接地层、电源层、底面，分割线性稳压器中的四路供电电压、四路输出电压、外界供电、模拟地和低噪声地，设计标准化、规范化，降低由于走线带来的噪声干扰，提高电源模块性能；采用小封装贴片电容电阻，降低电源模块尺寸，使电源模块小型化轻量化。
进一步地，使用高精度低ESR/ESL陶瓷电容、固态贴片电解电容、高抗扰贴片电阻；其中高精度陶瓷电容为Murata通用陶瓷电容器，是高介电常数型电容器，具有更小的尺寸和更高的电容值，该电容器具有高电容和高工作电压水平非常适合用于开关电源的二极管缓冲电路，以及DC-DC转换器的初级-次级耦合；固态贴片电解电容为United Chemi-ConMZR系列SMD铝电解电容器体积小，电容值和纹波电流高，该电容器的电压范围为6.3至50V，非常适合过滤包括电源模块中的噪声，贴片电解电容的使用使线路板背面没有任何焊点，从而无任何引起短路的可能性。
本发明原理在于：电源模块部分包括高性能低压差线性稳压器、高精度低ESR/ESL陶瓷电容、固态贴片电解电容、高抗扰贴片电阻、隔离稳压双路DC/DC电源模块、输入输出接口；测试底板部分包括输入接口、开关、滤波电容、保险装置、电源模块接口、电流源模块接口、信号输入输出端口；测试底板可接入电源供电模块和电流源输出模块，供电导通后，将输入控制信号通过信号输入输出端口接入测试电路，电源模块为电流源模块提供稳定电压，输出可用于激光器光源控制的恒定电流。
四路高性能低压差线性稳压器采用两路高性能低压差线性稳压器LT3045和LT3094，输入端通入15V直流电压，通过线性稳压芯片和外围电路，输出四路±15V、±12V几乎恒定的低噪声输出电压；线性稳压器的宽输出电压范围及保持单位增益操作的能力可提供几乎恒定的输出噪声、PSRR、带宽和负载调整率，内置保护功能电路包括反向电池保护、反向电流保护以及具折返的内部电流限制和具迟滞的热限制。
电源性能测试底板模块中，输入端供电、打开开关后，经电容滤波后给底板供电；供电导通后，通过一路BNC接口加入可调节输入控制信号，以调节所需电流源模块的输出电流大小；输入电压通过高性能低噪声电源模块得到输出四路低噪声输出电压，为激光器电流源模块进行供电；电流源模块接收到输入信号，将其转化为恒定的精确电流输出，可为激光器供电，输出单色性好、方向性强、光亮度高的激光光源，应用于小型化SERF磁强计中。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用四路高性能低压差线性稳压器为小型化SERF磁强计激光器电流源提供稳定电压，可实现高性能电压缓冲器的高精度电流基准，具有降低噪声、增加输出电流等特点，稳压器内部包括反向电池保护、反向电流保护以及具折返的内部电流限制和具迟滞的热限制。
(2)本发明包含单独的高性能低噪声电源模块的测试模块，应用于激光器前可对生产电源模块进行测试调试，防止电源模块由于零件损坏、电路短路等问题不能输出合适电压而对激光器造成损伤；该模块可用来检测电源模块降噪性能。
(3)本发明使用高精度陶瓷电容，是高介电常数型电容器，具有更小的尺寸和更高的电容值，该电容器具有高电容和高工作电压水平非常适合用于开关电源的二极管缓冲电路。
(4)本发明使用小封装高性能的元器件，并对采用的器件进行高集成化布局，减小模块体积进而减小激光器整体体积；采用四层板设计和良好的布局布线，提高模块整体性能。
附图说明
图1为本发明的高性能低噪声电源模块示意图；
图2为本发明的包含高性能低噪声电源模块的测试模块示意图；
图3为本发明的电源模块12V输出电压噪声纹波图；
图4为本发明的高性能低噪声电源模块连接关系图；
图5为本发明的高性能低噪声电源模块的测试模块连接关系图。
图中：1为隔离稳压双路DC/DC电源模块，2为固态贴片电解电容，3为-15V低噪声稳定电压输出模块，4为LT3094高性能低压差负线性稳压器，5为-12V低噪声稳定电压输出模块，6为LT3045高性能低压差线性稳压器，7为15V低噪声稳定电压输出模块，8为高精度低ESR/ESL陶瓷电容，9为12V低噪声稳定电压输出模块，21为滤波电容，22为输入接口，23为保险装置，24为测试模块开关，25为信号输入端口，26为信号输出端口，27为电流源模块，28为电源模块。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，为本发明的应用于小型化SERF磁强计激光器电流源的高性能低噪声电源模块示意图。
高性能低噪声电源模块包括隔离稳压双路DC/DC电源模块1，固态贴片电解电容2，-15V低噪声稳定电压输出模块3，LT3094高性能低压差负线性稳压器4，-12V低噪声稳定电压输出模块5，LT3045高性能低压差线性稳压器6，15V低噪声稳定电压输出模块7，高精度低ESR/ESL陶瓷电容8，12V低噪声稳定电压输出模块9。其中隔离稳压双路DC/DC电源模块1为电源模块中高性能低压差负线性稳压器4、6分别提供正负输入电压基准；LT3094高性能低压差负线性稳压器4和LT3045高性能低压差线性稳压器6配合外围电容电阻电路，产生四路高性能低噪声稳定电压，为激光器电流源提供良好的电压供电；高精度低ESR/ESL陶瓷电容器可以表现出较高的耐压和温度系数，并且在整个温度范围内具有更好的稳定性。
所述电源模块部分包括高性能低压差线性稳压器、高精度低ESR/ESL陶瓷电容、固态贴片电解电容、高抗扰贴片电阻、隔离稳压双路DC/DC电源模块、输入输出接口；固态贴片电解电容为隔离稳压双路DC/DC电源模块滤除噪声、稳定电压，隔离稳压双路DC/DC电源模块为高性能低压差线性稳压器提供正负电压供电输入，线性稳压器的输出阻抗会随频率而增加，因此在线性稳压器的输入端使用高精度低ESR/ESL陶瓷电容，并且在输出端使用更大的高精度低ESR/ESL陶瓷电容来限制峰值电压瞬变；在管脚SET和GND之间增加一个陶瓷电容可以改善噪声，PSRR和瞬态响应；使用高抗扰贴片电阻结合SET提供精确的电流稳定输出电压值，为了实现最佳的负载调节将SET引脚电阻的接地端直接连接到负载；
如图2所示，为本发明包括的高性能低噪声电源模块的测试模块，包括滤波电容21，输入接口22，保险装置23，测试模块开关24，信号输入端口25，信号输出端口26，电流源模块27，电源模块28。输入接口22供电、打开测试模块开关24后，经滤波电容1滤波后给底板供电，供电导通后，通过一路BNC信号输入端口25加入可调节输入控制信号，以调节所需电流源模块27的输出电流大小；输入电压通过高性能低噪声电源模块28得到输出四路低噪声输出电压，为激光器电流源模块27进行供电；电流源模块27接收到输入信号，将其转化为恒定的精确电流输出，可为激光器供电，输出单色性好、方向性强、光亮度高的激光光源。
所述测试底板部分包括输入接口、开关、滤波电容、保险装置、电源模块接口、电流源模块接口、信号输入输出端口；输入接口接入电源，打开开关，滤波电容过滤输入电源中的噪声，保险装置起到过流熔断保护作用；输入电源经过电源模块接口、电流源模块接口分别进入电源模块和电流源模块；信号输入输出接口均为BNC接口，输入电压控制信号，可测试电源模块性能和电流源模块电流输出性能；
所述测试底板可接入电源供电模块和电流源输出模块，供电导通后，将输入控制信号通过信号输入输出端口接入测试电路，电源模块为电流源模块提供稳定电压，输出可用于激光器光源控制的恒定电流。
如图3所示，为本发明的电源模块12V输出电压噪声纹波图，输出电压范围在0V至15V，电压噪声纹波几乎恒定，并且可并联多个器件以降低噪声和提供较高的电流。
如图4所示，为本发明的高性能低噪声电源模块连接关系图，图中输入接口为隔离稳压双路DC/DC电源模块提供输入电压，固态贴片电解电容在隔离稳压双路DC/DC电源模块输入输出端降低噪声，隔离稳压双路DC/DC电源模块为高性能低压差线性稳压器提供输入电压，高精度低ESR/ESL陶瓷电容和高抗扰贴片电阻为高性能低压差线性稳压器进行外部稳压控制，高性能低压差线性稳压器输出电压可由输出接口得到。
如图5所示，为本发明的高性能低噪声电源模块的测试模块连接关系图，图中15V外界电压经输入接口进入测试模块，开关在输入接口之后控制模块电路通断，保险装置和滤波电容依次排列在开关之后，输入电压首先经过电源模块接口，转换电压后进入电流源模块接口，电源模块、电流源模块输出由输出接口得到。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种应用于小型化SERF磁强计激光器电流源的电源模块，其特征在于，包括电源模块部分和测试底板部分，其中：
所述电源模块部分包括高性能低压差线性稳压器、高精度低ESR/ESL陶瓷电容、固态贴片电解电容、高抗扰贴片电阻、隔离稳压双路DC/DC电源模块、输入输出接口；固态贴片电解电容为隔离稳压双路DC/DC电源模块滤除噪声、稳定电压，隔离稳压双路DC/DC电源模块为高性能低压差线性稳压器提供正负电压供电输入，线性稳压器的输出阻抗会随频率而增加，因此在线性稳压器的输入端使用高精度低ESR/ESL陶瓷电容，并且在输出端使用更大的高精度低ESR/ESL陶瓷电容来限制峰值电压瞬变；在管脚SET和GND之间增加一个陶瓷电容可以改善噪声，PSRR和瞬态响应；使用高抗扰贴片电阻结合SET提供精确的电流稳定输出电压值，为了实现最佳的负载调节将SET引脚电阻的接地端直接连接到负载；
所述测试底板部分包括输入接口、开关、滤波电容、保险装置、电源模块接口、电流源模块接口、信号输入输出端口；输入接口接入电源，开关，滤波电容过滤输入电源中的噪声，保险装置起到过流熔断保护作用；输入电源经过电源模块接口、电流源模块接口分别进入电源模块和电流源模块；信号输入输出接口均为BNC接口，输入电压控制信号，可测试电源模块性能和电流源模块电流输出性能；
所述测试底板可接入电源供电模块和电流源输出模块，供电导通后，将输入控制信号通过信号输入输出端口接入测试电路，电源模块为电流源模块提供稳定电压，输出可用于激光器光源控制的恒定电流。
2.根据权利要求1所述的一种应用于小型化SERF磁强计激光器电流源的电源模块，其特征在于：LT3045是一款高性能低压差线性稳压器，其采用LTC的超低噪声和超高PSRR架构以为对噪声敏感的应用供电，LT3045的宽输出电压范围及保持单位增益操作的能力可提供几乎恒定的输出噪声、PSRR、带宽和负载调整率，该稳压器还拥有可编程电流限值、快速启动能力和用于指示输出电压调节的可编程电源良好，内置保护功能电路包括反向电池保护、反向电流保护以及具折返的内部电流限制和具迟滞的热限制。
3.根据权利要求1所述的一种应用于小型化SERF磁强计激光器电流源的电源模块，其特征在于：LT3094是一款高性能、低压差、负线性稳压器，其采用ADI的超低噪声和超高PSRR架构，可为对噪声敏感的应用供电，该稳压器可容易地并联以进一步降低噪声、增加输出电流，以及在PCB上散播热量，该稳压器的其他特点包括一个双极性使能引脚、可编程电流限值、快速启动功能和用于指示输出电压稳定的可编程电源良好，具有跟踪功能，可控制上游电源以在LT3094的两端保持一个恒定电压，从而最大限度降低功耗并优化PSRR。
4.根据权利要求1所述的一种应用于小型化SERF磁强计激光器电流源的电源模块，其特征在于：电源模块板和测试底板均为四层板，分为顶面、接地层、电源层、底面，分割线性稳压器中的四路供电电压、四路输出电压、外界供电、模拟地和低噪声地，设计标准化、规范化，降低由于走线带来的噪声干扰，提高电源模块性能；采用小封装贴片电容电阻，降低电源模块尺寸，使电源模块小型化轻量化。
5.根据权利要求1所述的一种应用于小型化SERF磁强计激光器电流源的电源模块，其特征在于：使用高精度低ESR/ESL陶瓷电容、固态贴片电解电容、高抗扰贴片电阻；其中高精度陶瓷电容为Murata通用陶瓷电容器，是高介电常数型电容器，具有更小的尺寸和更高的电容值，该电容器具有高电容和高工作电压水平非常适合用于开关电源的二极管缓冲电路，以及DC-DC转换器的初级-次级耦合；固态贴片电解电容为United Chemi-Con MZR系列SMD铝电解电容器体积小，电容值和纹波电流高，该电容器的电压范围为6.3至50V，非常适合过滤包括电源模块中的噪声，贴片电解电容的使用使线路板背面没有任何焊点，从而无任何引起短路的可能性。
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