CN115173689A - 一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统。包括对整个大功率泵浦电源控制系统进行控制的微控制器电路及与该微控制器电路连接的DC‑DC电源、恒流电路、用于采集泵浦激光器输出功率的PD监测采集电路、用于采集泵浦激光器温度的温度监测采集电路、用于实现整个大功率泵浦电源控制系统通讯隔离的隔离电路、用于提供整个大功率泵浦电源控制系统供电电源系统电源电路，还包括一设于DC‑DC电源的输入端、系统电源电路的输入端的保险丝，DC‑DC电源的输出端、恒流电路的输出端连接至泵浦激光器。本发明能够可适配不同电压和电流等级的应用条件，防止因外部干扰、过流、过压、过温等因素造成激光器损坏或永久性降低泵浦激光器的性能，提高其安全可靠性。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，特别是涉及大功率泵浦电源安全可靠性应用，具体涉及一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统。
背景技术
在大功率激光器应用中，如金属精细钻孔微加工、支架精密切割制造、蓝宝石切割、陶瓷材料打孔等工业应用中，对泵浦激光器的功率和稳定性提出非常高的要求，甚至需要多个泵浦激光器并联提高激光功率为放大提供更高跃迁能量。要求泵浦激光器能够稳定的激光电流更高，输出功率更稳定，对热处理要求更高，方便可靠的控制方式以及过程记录可视化。
通用的泵浦恒流电路如图4所示，通过采集c点电压控制恒流，在恒流条件下泵浦激光器可以输出相对稳定的激光。
通过监测R1电流来判断电流是否异常，Vset电压可以限制输出电流。现有的方案保护方式比较单一，该方案比较适用于小功率的激光电路中，保护突发情况。在大功率系统，热效应会对器件造成不可逆影响甚至损失。所以需要过程中实时监控器件状态，提前预知故障点，防止永久时损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，解决大功率泵浦应用中的高电压、大电流、高稳定性、高可靠性等要求，可适配不同电压和电流等级的应用条件，防止因外部干扰、过流、过压、过温等因素造成激光器损坏或永久性降低泵浦激光器的性能，提高其安全可靠性，实时监控记录泵浦激光器的电压、电流、温度、输出光功率数据以及控制系统其它数据，用于分析泵浦激光器工作状态。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，实现如下：
最重要泵浦激光器工作电流使用5级保护：第1级保险丝限流；第2级DC-DC电源硬件设置最大输出电流，过流情况下硬件自动切断输出电压；第3级恒流电路中硬件限制最高可设置电流；第4级软件限制最高可设置电流；第5级输出电流即泵浦激光器实际工作电流设定及监控。
当监测的输出电流与实际设定工作电流不符或高于软件设置值，断开恒流输出。当断开恒流输出依旧监测到电流或者监测电流大于恒流电路的硬件限制电流，说明恒流电路故障，断开DC-DC电源输出电压。如果过流依旧存在，当超过保险丝限流时直接先烧断保险丝保护，保险丝选择一次快速熔断型。当软件失效时，由恒流电路的硬件限制其在正常工作状态，当超过DC-DC最大输出电流，DC-DC自动断开输出电压。
泵浦激光器的最大电压限制保护：DC-DC输入电压过压软件保护和低压硬件和软件保护；DC-DC输出电压过压软件保护和低压软件保护，DC-DC输出电压为泵浦激光器的硬件设置的最大电压；泵浦激光器负级电压监测，当泵浦激光器两端电压高于设置值，软件设置降低DC-DC输出电压。
过温保护：泵浦激光器温度监测，当监测到温度过高时，说明泵浦激光器的控温系统失效（水冷系统或TEC控温），立即断开电流输出。采样电阻温度监测，当监测到温度过高时，说明泵浦电源模组的散热系统失效，立即断开电流输出。恒流电路中的控流MOS管温度监测，当监测到温度过高时，MOS管就有损伤风险，根据监测激光器负向电压、激光器工作电流、采样电阻温度综合判断做出处理，降低DC-DC输出电压，将激光器压降控制一定范围内。
泵浦激光器输出功率监测：通过监测PD采集的功率，判断泵浦激光器输出功率是否符合正常范围，判断泵浦激光器是否有异常或衰减。
通讯隔离：隔离的主要目的防止干扰，影响输出电流的设定电压稳定性造成泵浦激光器的输出波动。通讯主要使用RS485或CAN，可以实现多个模组并联使用，实现更高的泵浦功率。通过上位机软件实时监控、实时报警，记录过程数据。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、通过5级电流保护以软件硬件的设置方式，可以提高电流保护效果，防止在器件损伤时还有第二道保护，比如当恒流发生故障时，控流MOS短路，直接输出最大电流，可以软件控制DC-DC关断或者DC-DC硬件直接直接判断保护。当DC-DC电路发生故障时，输出过高的电压，软件无法判断DC-DC输出电压，软件可以关断恒流电路或者硬件限制泵浦激光器电流防止损伤。当微控制器发生故障强制恒流电路输出最大电流，也有恒流电路的硬件限流，甚至DC-DC电路直接硬件过流保护，当所有电路都发生故障时，最后保险丝直接熔断。
2、电压保护以及采样监测，进一步保护泵浦激光器两端的实际电压不超过其最大电压。
3、过温保护可以保护重要器件和泵浦不会因温度过高而损坏。
4、泵浦激光器的工作电压采集、工作电流采集、输出功率采集、温度采集可以有效监测过程变化，测试最佳工作条件。
5、电压电流的软硬件设置，让这个控制系统可以兼容不同功率、不同电压、不同电流的泵浦激光器。
附图说明
图1为本发明一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统的结构示意图。
图2为本发明电源控制系统的DC-DC电源采集和控制原理简图。
图3为本发明电源控制系统的恒流电路采集和控制原理简图。
图4为通用的泵浦恒流电路。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统。如图1所示，具体的主要由微控制器电路、大功率DC-DC电源电路、恒流电路、PD监测采集电路、温度监测采集电路、隔离电路和系统电源电路组成。主要目的是解决大电流条件下电路保护，防止因过流、过压、过温造成激光器损坏或降低泵浦激光器的性能，实时监控记录控制系统数据，用于分析泵浦激光器工作状态。
微控制器电路包含1路12位DAC输出电路、1路16位DAC输出电路、8路12位ADC采集电路、1路16位ADC采集电路、1路UART串口以及多个输入输出IO接口。主要用于多个监测信号的采集、输出电压电流的设置、状态使能和关断、采集信号记录上传和控制系统算法。
如图2所示，大功率DC-DC电源电路主要用于给泵浦激光器的最高电压，包括了输入电压判断，由电阻R1和R2组成分压输入DC-DC电源自身判断低压硬件保护，由电阻R3和R4分压12位ADC电路采集VIN-ADC1电压，用于处理或设置输入电压低压和过压保护，触发保护控制VOUT-EN拉低关断DC-DC电源VOUT输出电压；输出电压设置，通过焊接不同的R5和R6电阻，硬件设置泵浦激光器的最大工作电压，由二极管D1、电组R7的12位DAC输出VOUT-SET组成软件设置减少输出电压VOUT，减小范围由R5、R6、R7、D1以及FB阀值计算，具体计算公式如下：
输出电压判断，由电阻R8和R9分压12位ADC采集VOUT-AD2电压，用于处理或设置输出电压异常和过压保护，触发保护控制VOUT-EN拉低关断DC-DC电源VOUT输出电压；
通过软硬件设置VOUT，本发明的控制系统可以适配不同电压等级的泵浦激光器。
如图3所示，恒流电路主要用于控制泵浦激光器的电流，使用其保持稳定的电流。恒流电流等于b点电压除以采样电阻R10，b点电压等于c点电压，所以只要限制c点电压就能限制恒流电路的最大电流。16位DAC的工作电压为3.3V，所以IOUT-SET的故障时的最大电压为3.3V，通过电阻R11和R12的分压，限制当IOUT-SET处在最大电压3.3V时c点电压不超过硬件设置的电压，保护恒流电路正常工作时泵浦激光器的最大恒流电流。微控制器软件设置IOUT-SET输出的软件设置最大电流，当IOUT-SET写入超过软件设置电流时，系统模认只输出设置的最大电流。
恒流电路过流保护，b点电压通过U4正向放大10位，当12位ADC采集到IOUT-ADC4的电压超过软件设置的电大电流时，触发保护控制IOUT-EN拉低关断恒流电路恒流输出电流；如果IOUT-EN拉低后IOUT-ADC4依旧存在电流，同时控制VOUT-EN拉低关断DC-DC电源VOUT输出电压。
通过软硬件设置IOUT-SET，本发明的控制系统可以适配不同电流等级的泵浦激光器。
保险丝熔断电流大于DC-DC电源的硬件最大保护电流大于恒流电路硬件设置的最大电流大于恒流电路软件设置的最大电流。
a点用于判断泵浦激光器的负级电压，通过U3正向放大2位，当12位ADC采集到IOUT-ADC3的电压一定电压时，说明泵浦激光器的负级电压过高，控流MOS管Q1的压差太大，DC-DC电源输出的VOUT电压过大，需要设置VOUT-SET电压减小VOUT电压，减小控流MOS管Q1的压差，控流MOS管Q1的压差太大会使MOS管过热损坏。
泵浦激光器输出功率PD监测电路，通过16位ADC采集跨阻放大的PD电压，计算对应的光功率值，如果PD值异常或过大，触发保护控制VOUT-EN拉低关断DC-DC电源的输出电压VOUT，控制IOUT-EN拉低关断恒流电路恒流输出电流。
微控制器通过PD采集输出功率值做反馈，控制IOUT-SET设置泵浦激光器电流实现泵浦激光器输出功率闭环控制，使用的是16位ADC和DAC可以达高精度功率稳定控制。
泵浦激光器温度监测，通过12位ADC采集，如果温度过高，说明泵浦激光器的控温系统失效或安装异常，温度过高泵浦激光器有永久损坏或性能下降的风险，触发保护控制VOUT-EN拉低关断DC-DC电源的输出电压VOUT，控制IOUT-EN拉低关断恒流电路恒流输出电流。
采样电阻R10温度监测，通过12位ADC采集，如果温度过高，说明采样电阻的散热系统失效或安装异常，温度过高采样电阻有永久损坏或性能下降的风险，触发保护控制VOUT-EN拉低关断DC-DC电源的输出电压VOUT，控制IOUT-EN拉低关断恒流电路恒流输出电流。
控流MOS管Q1温度监测，通过12位ADC采集，如果温度过高，说明控流MOS管的控温系统失效或安装异常，温度过高控流MOS管有永久损坏或性能下降的风险，触发保护控制VOUT-EN拉低关断DC-DC电源的输出电压VOUT，控制IOUT-EN拉低关断恒流电路恒流输出电流。
接口和通讯隔离电路，防止外部电磁干扰，以及多个控制系统并联使用相互之前的互相干扰。提高高可靠性的大功率泵浦电源控制系统的稳定性。
上位机或其它控制板通过RS485或CAN监控和记录过程数据，可以同时监控和记录多个大功率泵浦电源控制系统。
监控和记录控制系统的输入电压VIN-ADC1、DC-DC电源输出电压VOUT-ADC2、泵浦激光器负极电压VMOS-ADC3、泵浦激光器工作电流IOUT-ADC4、泵浦激光器输出功率值、泵浦激光器温度、采样电阻温度、控流MOS管温度。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，对泵浦激光器工作电流使用5级保护，即：第1级保险丝限流；第2级DC-DC电源硬件设置最大输出电流，过流情况下DC-DC电源自动切断输出电压；第3级恒流电路硬件限制最高可设置电流；第4级软件限制最高可设置电流；第5级输出电流即泵浦激光器实际工作电流设定及监控；当输出电流与实际设定工作电流不符或高于软件限制最高可设置电流，断开恒流电路的恒流输出；当断开恒流输出还能够监测到输出电流或输出电流大于硬件限制最高可设置电流，恒流电路故障，断开DC-DC电源输出电压；若过流依旧存在，且超过保险丝限流时直接烧断保险丝保护；当软件失效时，由恒流电路限制输出电流，当输出电流超过硬件设置最大输出电流，DC-DC电源自动断开输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，对泵浦激光器的最大电压限制保护，即：DC-DC电源输入电压过压软件保护、低压硬件和软件保护、DC-DC电源输出电压过压软件保护。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，过温保护：当监测到泵浦激光器温度超过预设温度值时，泵浦激光器的控温系统失效，立即断开输出电流；当监测到采样电阻温度超过预设温度值时，泵浦激光器电源模组的散热系统失效，立即断开输出电流；当监测到恒流电路中的控流MOS管温度超过预设温度值时，MOS管有损伤风险，降低DC-DC电源输出电压。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，泵浦激光器输出功率监测，通过采集泵浦激光器输出功率，判断泵浦激光器输出功率是否符合正常范围，以此判断泵浦激光器是否有异常或衰减。
5.根据权利要求1所述的一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，还包括通讯隔离，以防止影响输出电流、输出电压稳定性造成泵浦激光器的输出波动。
6.根据权利要求1所述的一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，包括用于实现软件限制最高可设置电流设置以及对整个大功率泵浦电源控制系统进行控制的微控制器电路及与该微控制器电路连接的DC-DC电源、恒流电路、用于采集泵浦激光器输出功率的PD监测采集电路、用于采集泵浦激光器温度的温度监测采集电路、用于实现整个大功率泵浦电源控制系统通讯隔离的隔离电路、用于提供整个大功率泵浦电源控制系统供电电源系统电源电路，还包括一设于DC-DC电源的输入端、系统电源电路的输入端的保险丝，DC-DC电源的输出端、恒流电路的输出端连接至泵浦激光器。
7.根据权利要求1所述的一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，所述微控制器电路包括1路12位DAC输出电路、1路16位DAC输出电路、8路12位ADC采集电路、1路16位ADC采集电路、1路UART串口以及多个输入输出IO接口，用于整个大功率泵浦电源控制系统的多个监测信号的采集、软件限制最高可设置电流设置、采集信号记录上传。
8.根据权利要求7所述的一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，所述DC-DC电源采用大功率DC-DC电源电路，用于给泵浦激光器的最高电压，包括输入电压判断：由电阻R1和R2分压DC-DC电源输入电源进行DC-DC电源输入电压低压硬件保护；由电阻R3和R4分压12位ADC采集电路，进行DC-DC电源输入电压过压软件保护、低压软件保护；输出电压设置：通过不同阻值的电阻R5和R6，硬件设置泵浦激光器的最大工作电压；由二极管D1、电组R7的12位DAC输出电路，降低DC-DC电源输出电压；输出电压判断：由电阻R8和R9分压12位ADC采集电路，进行DC-DC电源输出电压异常和过压保护。
9.根据权利要求6所述的一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，所述恒流电路，用于控制泵浦激光器的工作电流，使用其保持稳定的电流。
10.根据权利要求6所述的一种高可靠性的大功率泵浦电源控制系统，其特征在于，所述保险丝熔断电流大于硬件设置最大输出电流，硬件设置最大输出电流大于硬件限制最高可设置电流，硬件限制最高可设置电流大于软件限制最高可设置电流。
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