CN117154536A - 脉冲buck恒流驱动控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种脉冲BUCK恒流驱动控制电路及控制方法，包括主功率单元、PWM控制单元、反馈环路调节单元、隔离半桥驱动单元、差分电流采样单元、给定与采样比较单元、单片机信号处理单元和环路RC放电时间控制单元；主功率单元与PWM控制单元、激光泵浦管和差分电流采样单元分别相连，差分电流采样单元与反馈环路调节单元相连；隔离半桥驱动单元与PWM控制单元相连；给定与采样比较单元与反馈环路调节单元相连，给定与采样比较单元和单片机信号处理单元相连；单片机信号处理单元与环路RC放电时间控制单元相连；环路RC放电时间控制单元与反馈环路调节单元相连。该控制电路可让激光器满足宽范围的应用工作频率，同时可自适应宽电压范围的激光器泵浦管。

Description

脉冲BUCK恒流驱动控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及激光电源领域技术，尤其是指一种脉冲BUCK恒流驱动控制电路及控制方法。

背景技术

传统的激光器泵浦模块恒流驱动主要分为以下几种：

第一种线性恒流驱动电源，这种恒流驱动由AC/DC电源将输入交流电经过PFC+隔离DC/DC变换器输出稳定的直流电，给后级线性恒流驱动电源提供稳定的直流电压；线性恒流驱动电源通过控制其MOS工作在线性区间来达到恒流的目的；此方案电路总体为三级变换。

此种模式的优点是整体成本低，同时线性恒流驱动优异的电流动态特性，可以让激光器获取更宽的应用工作频率范围；缺点是由于线性恒流MOS管工作在线性区，会造成在不同工作电流下其损耗是不相同的，而且整体损耗较大，这也就制约了其功率大小的提升，同时其整体效率较低，输出适应范围较窄，无法同时适应多种激光器泵浦模块，再就是脉冲模式条件下工作，其电流下降沿拖尾比较严重。

第二种BUCK降压+线性恒流驱动电源，这种恒流驱动是将线性恒流的前端电压通过BUCK恒压稳定输出跟负载匹配的电压，后端依然是通过控制其MOS工作在线性区间来达到恒流的目的；此方案电路总体为两级变换。

此类恒流的优点是将BUCK降压跟线性恒流有效的结合在一起，利用了BUCK降压的高效率以及让线性恒流工作在足够低压降的状态，也是变相的减小了线性恒流器件上的损耗从而提高了整体效率，满足了不同泵源，电压不同的应用条件。

此种模式的优点依然是利用线性恒流驱动优异的电流动态特性，可以让激光器获取更宽的应用工作频率范围；缺点依然是线性恒流MOS管工作在线性区，会造成在不同工作电流下其损耗是不相同的，整体损耗较大，这也就制约了其功率大小的提升，并且整体从成本上来讲比第一种要高，同时其整体效率较低，输出适应范围较窄，无法同时适应多种激光器泵浦模块，再就是脉冲模式条件下工作，其电流下降沿拖尾比较严重。

这两种方式激光器泵浦模块的前级恒流供电结构都有其各自的优缺点；这些优缺点会制约激光器不同应用场景的应用。因此，应对现有的激光器泵浦模块的供电结构进行改进以解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种脉冲BUCK恒流驱动控制电路及控制方法，该控制电路可使激光器满足宽范围的应用工作频率要求，同时可以自适应宽电压范围的激光器泵浦管，降低整机的损耗，减少发热。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种脉冲BUCK恒流驱动控制电路，其包括：

主功率单元，用于将输入电压降低到适应输出激光泵浦管的负载电压，其具有Iin1+端、Is端和负载电压输出端；

PWM控制单元，用于对输入电流进行逐周期采样和对输出平均电流采样，并通过内部的误差放大器去控制PWM输出占空比的大小以达到输出电流的稳定，其具有Iin1+端、VIA端和VIB端；

反馈环路调节单元，用于调整主控芯片COMP脚的电压，使输出电流稳定，其具有V_Is端和VREF端；

隔离半桥驱动单元，用于将所述PWM控制单元输出电压进行增强整形输出，其具有VIA端和VIB端；

差分电流采样单元，用于放大所述主功率单元的弱信号，并提供给所述反馈环路调节单元进行环路调节，其具有Is端和V_Is端；

给定与采样比较单元，用于将输出电流模拟量给定值和输出电流模拟量采样值进行比较，利用采样值滞后给定值的关系，输出一个脉宽到单片机信号处理单元进行脉宽时间处理，其具有V_Is端、VREF端和MCU_IN端；

单片机信号处理单元，用于将所述给定与采样比较单元送出的脉宽信号进行整形，输出一个固定时间的脉宽波形，其具有MCU_IN端和MCU_OUT端；

环路RC放电时间控制单元，接收到所述单片机信号处理单元发出的脉冲信号后，加快所述反馈环路调节单元的放电速率，将所述PWM控制单元迅速关闭，使输出电流脉冲状态时的下降沿快速关断，其具有MCU_OUT端和VREF端；

所述主功率单元之Iin1+端和所述PWM控制单元之Iin1+端相连；所述激光泵浦管连接于主功率单元之负载电压输出端；所述差分电流采样单元之Is端与主功率单元之Is端相连，差分电流采样单元之V_Is端与所述反馈环路调节单元之V_Is端相连；所述隔离半桥驱动单元之VIA端和VIB端对应与所述PWM控制单元之VIA端和VIB端相连；所述给定与采样比较单元之V_Is端和VREF端对应与所述反馈环路调节单元之V_Is端和VREF端相连，给定与采样比较单元之MCU_IN端与所述单片机信号处理单元之MCU_IN端相连；所述单片机信号处理单元之MCU_OUT端与所述环路RC放电时间控制单元之MCU_OUT端相连；所述环路RC放电时间控制单元之VREF端与所述反馈环路调节单元之VREF端相连。

作为一种优选方案：所述主功率单元具有彼此相连的检测电阻RS1、变压器TR1、电感L1以及高频开关Q5、Q6；所述Iin1+端为变压器TR1其中一引脚，Is端与电阻RS1端部连接；高频开关Q5将高输入电压降低到适应输出激光泵浦管的负载电压，高频开关Q6在此起到电感电流续流的作用，在高频开关Q5关断时进行续流。

作为一种优选方案：所述PWM控制单元具有芯片U1，PWM控制单元通过所述主功率单元的变压器TR1对电感L1的电流进行逐周期采样和对输出平均电流采样，并分别反馈到芯片U1的3脚和1脚，芯片U1通过内部的误差放大器控制PWM控制单元输出占空比的大小以达到输出电流的稳定。

作为一种优选方案：所述反馈环路调节单元具有运放U7和电阻R20,通过运放U7调节环路使输出电流采样电压等于U7的3脚给定电压，调整主控芯片COMP脚的电压，使输出电流稳定；所述电阻R20连接于所述反馈环路调节单元之VREF端。

作为一种优选方案：所述隔离半桥驱动单元具有芯片U2，所述PWM控制单元之VIA和VIB端通过芯片U2增强整形输出，于芯片U2外围设置有电阻R12，R12用于调节输出驱动的死区时间，防止高频开关Q5和Q6出现共通的情况。

作为一种优选方案：所述差分电流采样单元具有运放U5B，所述运放U5B通过将检流电阻RS1两端的弱信号放大以便于提供给所述反馈环路调节单元进行环路调节。

作为一种优选方案：所述给定与采样比较单元具有运放U5A，所述运放U5A将输出电流模拟量给定值和输出电流采样的模拟量数值进行比较，输出一个短暂的脉宽给到所述单片机信号处理单元进行脉宽时间处理。

作为一种优选方案：所述环路RC放电时间控制单元具有光耦U3、Q4、电容C19和电阻R14,所述单片机信号处理单元具有芯片U4，所述芯片U4通过MCU_OUT端发出脉冲信号至U3，Q4导通，光耦U3的3、4脚导通工作，将电阻R14与所述电阻R20并联，整体阻值变小，加快电容C19的放电速率，使PWM控制单元之主控芯片COMP电压迅速降低关闭PWM，使输出电流脉冲状态时的下降沿快速关断。

一种应用于如上所述的脉冲BUCK恒流驱动控制电路的控制方法，包括如下步骤：

S1、所述差分电流采样单元将采集到的电流信号与外部给定信号进行比较，利用天然的采样信号滞后给定信号，输出一个短时间的脉宽到所述单片机信号处理单元；

S2、所述单片机信号处理单元进行脉宽处理，并输出一个固定脉宽去控制所述环路RC放电时间控制单元；

S3、环路RC放电时间控制单元加速对所述反馈环路调节单元中的电容C19快速放电，使主控芯片COMP快速降低；

S4、所述PWM控制单元快速关断，输出电流脉冲时下降沿快速下降。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，通过将主功率单元、PWM控制单元、反馈环路调节单元、隔离半桥驱动单元、差分电流采样单元、给定与采样比较单元、单片机信号处理单元和环路RC放电时间控制单元相结合形成针对激光泵浦管的脉冲BUCK恒流驱动控制电路。该控制电路能够提高电流下降速率，对于泵浦源输出能量需要高频化的应用有较好的效果，通过该控制电路可以达到线性恒流同等水平，同时还可以提高效率，降低整机的损耗，减少发热。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1为本发明之主功率单元与激光泵浦管电路示意图；

图2为本发明之差分电流采样单元与反馈环路调节单元电路示意图；

图3为本发明之给定与采样比较单元与单片机信号处理单元电路 示意图；

图4为本发明之PWM控制单元与隔离半桥驱动单元电路示意图；

图5为本发明之环路RC放电时间控制单元示意图；

图6为本发明之控制电路整体示意图；

图7为本发明之控制电路各单元连接原理示意图；

图8为本发明与传统电路之输出电流脉冲下降沿时序比较示意图。

附图标识说明：

10、主功率单元；20、PWM控制单元；30、反馈环路调节单元；40、隔离半桥驱动单元；50、差分电流采样单元；60、给定与采样比较单元；70、单片机信号处理单元；80、环路RC放电时间控制单元；90、激光泵浦管。

具体实施方式

本发明如图1至图8所示，一种脉冲BUCK恒流驱动控制电路及控制方法，控制电路包括有包括主功率单元10、PWM控制单元20、反馈环路调节单元30、隔离半桥驱动单元40、差分电流采样单元50、给定与采样比较单元60、单片机信号处理单元70和环路RC放电时间控制单元80，其中：

主功率单元10，用于将输入电压降低到适应输出激光泵浦管90的负载电压，其具有Iin1+端、Is端和负载电压输出端。

PWM控制单元20，用于对输入电流进行逐周期采样和对输出平均电流采样，并通过内部的误差放大器去控制PWM输出占空比的大小以达到输出电流的稳定，其具有Iin1+端、VIA端和VIB端。

反馈环路调节单元30，用于调整主控芯片COMP脚的电压，使输出电流稳定，其具有V_Is端和VREF端。

隔离半桥驱动单元40，用于将所述PWM控制单元20输出电压进行增强整形输出，其具有VIA端和VIB端。

差分电流采样单元50，用于放大所述主功率单元10的弱信号，并提供给所述反馈环路调节单元30进行环路调节，其具有Is端和V_Is端。

给定与采样比较单元60，用于将输出电流模拟量给定值和输出电流模拟量采样值进行比较，利用采样值滞后给定值的关系，输出一个脉宽到单片机信号处理单元70进行脉宽时间处理，其具有V_Is端、VREF端和MCU_IN端。

单片机信号处理单元70，用于将所述给定与采样比较单元60送出的脉宽信号进行整形，输出一个固定时间的脉宽波形，其具有MCU_IN端和MCU_OUT端。

环路RC放电时间控制单元80，接收到所述单片机信号处理单元70发出的脉冲信号后，加快所述反馈环路调节单元30的放电速率，将所述PWM控制单元20迅速关闭，使输出电流脉冲状态时的下降沿快速关断，其具有MCU_OUT端和VREF端。

所述主功率单元10之Iin1+端和所述PWM控制单元20之Iin1+端相连；所述激光泵浦管90连接于主功率单元10之负载电压输出端；所述差分电流采样单元50之Is端与主功率单元10之Is端相连，差分电流采样单元50之V_Is端与所述反馈环路调节单元30之V_Is端相连；所述隔离半桥驱动单元40之VIA端和VIB端对应与所述PWM控制单元20之VIA端和VIB端相连；所述给定与采样比较单元60之V_Is端和VREF端对应与所述反馈环路调节单元30之V_Is端和VREF端相连，给定与采样比较单元60之MCU_IN端与所述单片机信号处理单元70之MCU_IN端相连；所述单片机信号处理单元70之MCU_OUT端与所述环路RC放电时间控制单元80之MCU_OUT端相连；所述环路RC放电时间控制单元80之VREF端与所述反馈环路调节单元30之VREF端相连。

所述主功率单元10具有彼此相连的检测电阻RS1、变压器TR1、电感L1以及高频开关Q5、Q6；所述Iin1+端为变压器TR1其中一引脚，Is端与电阻RS1端部连接；通过高频开关Q5将高输入电压降低到适应输出激光泵浦管90的负载电压，高频开关Q6在此起到电感电流续流的作用，在高频开关Q5关断时进行续流。所述PWM控制单元20具有芯片U1，PWM控制单元20通过所述主功率单元10的变压器TR1对电感L1的电流进行逐周期采样和对输出平均电流采样，并分别反馈到芯片U1的3脚和1脚，芯片U1通过内部的误差放大器控制PWM控制单元20输出占空比的大小以达到输出电流的稳定。

所述隔离半桥驱动单元40具有芯片U2，所述PWM控制单元20之VIA和VIB端通过芯片U2驱动芯片增强整形输出，用于提供更强的驱动能力去驱动主功率单元10的高频开关Q5、Q6功率MOS；于芯片U2外围设置有电阻R12，R12用于调节输出驱动的死区时间，防止高频开关Q5和Q6出现共通的情况。所述差分电流采样单元50具有运放U5B，所述运放U5B通过将检流电阻RS1两端的弱信号放大以便于提供给所述反馈环路调节单元30进行环路调节。

所述反馈环路调节单元30具有运放U7和电阻R20,通过运放U7调节环路使输出电流采样电压等于运放U7的3脚给定电压，从而调整主控芯片COMP脚的电压，使输出电流稳定；并所述电阻R20连接于所述反馈环路调节单元30之VREF端。所述环路RC放电时间控制单元80具有光耦U3、Q4、电容C19和电阻R14,所述单片机信号处理单元70具有芯片U4，所述芯片U4通过MCU_OUT端发出脉冲信号至光耦U3，Q4导通，光耦U3的3、4脚导通工作；将电阻R14与所述电阻R20并联，整体阻值变小，加快电容C19的放电速率，使PWM控制单元20之主控芯片COMP电压迅速降低关闭PWM，使输出电流脉冲状态时的下降沿快速关断。

所述给定与采样比较单元60具有运放U5A，所述运放U5A将输出电流模拟量给定值“VREF”和输出电流采样的模拟量数值“V_IS”进行比较，利用天然的V_IS 滞后VREF的关系，输出一个短暂的脉宽给到所述单片机信号处理单元70进行脉宽时间处理（通过运放U5A将输出电流模拟量给定“VREF”和输出电流采样的模拟量“V_IS”进行比较，利用天然的V_IS滞后VREF的关系，输出一个短暂的脉宽给到MCU进行脉宽时间处理）。

所述单片机信号处理单元70将运放U5A送出的脉宽信号“MCU_IN”进行整形，输出一个固定时间的脉宽波形（MCU_OUT）。

一种应用于所述脉冲BUCK恒流驱动控制电路的控制方法，包括如下步骤：

S1、所述差分电流采样单元50将采集到的电流信号与所述外部给定信号进行比较，利用天然的采样信号滞后给定信号，输出一个短时间的脉宽到所述单片机信号处理单元70；

S2、所述单片机信号处理单元70进行脉宽处理，并输出一个固定脉宽去控制所述环路RC放电时间控制单元80；

S3、环路RC放电时间控制单元80加速对所述反馈环路调节单元中的电容C19快速放电，使主控芯片COMP快速降低；

S4、所述PWM控制单元20快速关断，输出电流脉冲时下降沿快速下降。

该控制电路的控制原理如下：差分电流采样单元50将采集到的电流信号与外部给定信号进行比较，利用天然的采样信号滞后给定信号输出一个短时间的脉宽到MCU_IN”端，MCU_IN端给到单片机信号处理单元70进行脉宽处理；最后由单片机输出一个固定脉宽去控制环路RC放电控制电路单元，将电阻R14并联到电阻R20上面，加速度对反馈环路调节单元中的电容C19快速放电。从而实现“COMP”的快速降低，以此来达到PWM控制单元20快速关断，实现了输出电流脉冲时下降沿的快速下降。

传统的控制电路，下降沿需要27.5us且有拖尾现象；采用该发明的控制方案，下降沿仅需11.5us，且无拖尾现象；如图8所示，传统的输出电流下降沿比较慢且有拖尾现象（箭头A1和A2所指），使用本发明控制电路之后的下降沿比较陡峭，且没有拖尾（箭头B1和B2所指），可以实现更高的输出电流脉冲频率。

本发明的设计重点在于，通过将主功率单元、PWM控制单元、反馈环路调节单元、隔离半桥驱动单元、差分电流采样单元、给定与采样比较单元、单片机信号处理单元和环路RC放电时间控制单元相结合形成针对激光泵浦管的脉冲BUCK恒流驱动控制电路。该控制电路能够提高电流下降速率，对于泵浦源输出能量需要高频化的应用有较好的效果，通过该控制电路可以达到线性恒流同等水平，同时还可以提高效率，降低整机的损耗，减少发热。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种脉冲BUCK恒流驱动控制电路，其特征在于，包括：

主功率单元，用于将输入电压降低到适应输出激光泵浦管的负载电压，其具有Iin1+端、Is端和负载电压输出端；

PWM控制单元，用于对输入电流进行逐周期采样和对输出平均电流采样，并通过内部的误差放大器去控制PWM输出占空比的大小以达到输出电流的稳定，其具有Iin1+端、VIA端和VIB端；

反馈环路调节单元，用于调整主控芯片COMP脚的电压，使输出电流稳定，其具有V_Is端和VREF端；

隔离半桥驱动单元，用于将所述PWM控制单元输出电压进行增强整形输出，其具有VIA端和VIB端；

差分电流采样单元，用于放大所述主功率单元的弱信号，并提供给所述反馈环路调节单元进行环路调节，其具有Is端和V_Is端；

给定与采样比较单元，用于将输出电流模拟量给定值和输出电流模拟量采样值进行比较，利用采样值滞后给定值的关系，输出一个脉宽到单片机信号处理单元进行脉宽时间处理，其具有V_Is端、VREF端和MCU_IN端；

单片机信号处理单元，用于将所述给定与采样比较单元送出的脉宽信号进行整形，输出一个固定时间的脉宽波形，其具有MCU_IN端和MCU_OUT端；

环路RC放电时间控制单元，接收到所述单片机信号处理单元发出的脉冲信号后，加快所述反馈环路调节单元的放电速率，将所述PWM控制单元迅速关闭，使输出电流脉冲状态时的下降沿快速关断，其具有MCU_OUT端和VREF端；

所述主功率单元之Iin1+端和所述PWM控制单元之Iin1+端相连；所述激光泵浦管连接于主功率单元之负载电压输出端；所述差分电流采样单元之Is端与主功率单元之Is端相连，差分电流采样单元之V_Is端与所述反馈环路调节单元之V_Is端相连；所述隔离半桥驱动单元之VIA端和VIB端对应与所述PWM控制单元之VIA端和VIB端相连；所述给定与采样比较单元之V_Is端和VREF端对应与所述反馈环路调节单元之V_Is端和VREF端相连，给定与采样比较单元之MCU_IN端与所述单片机信号处理单元之MCU_IN端相连；所述单片机信号处理单元之MCU_OUT端与所述环路RC放电时间控制单元之MCU_OUT端相连；所述环路RC放电时间控制单元之VREF端与所述反馈环路调节单元之VREF端相连。

2.根据权利要求1所述的脉冲BUCK恒流驱动控制电路，其特征在于：所述主功率单元具有彼此相连的检测电阻RS1、变压器TR1、电感L1以及高频开关Q5、Q6；所述Iin1+端为变压器TR1其中一引脚，Is端与电阻RS1端部连接；高频开关Q5将高输入电压降低到适应输出激光泵浦管的负载电压，高频开关Q6在此起到电感电流续流的作用，在高频开关Q5关断时进行续流。

3.根据权利要求2所述的脉冲BUCK恒流驱动控制电路，其特征在于：所述PWM控制单元具有芯片U1，PWM控制单元通过所述主功率单元的变压器TR1对电感L1的电流进行逐周期采样和对输出平均电流采样，并分别反馈到芯片U1的3脚和1脚，芯片U1通过内部的误差放大器控制PWM控制单元输出占空比的大小以达到输出电流的稳定。

4.根据权利要求1所述的脉冲BUCK恒流驱动控制电路，其特征在于：所述反馈环路调节单元具有运放U7和电阻R20,通过运放U7调节环路使输出电流采样电压等于U7的3脚给定电压，调整主控芯片COMP脚的电压，使输出电流稳定；所述电阻R20连接于所述反馈环路调节单元之VREF端。

5.根据权利要求2所述的脉冲BUCK恒流驱动控制电路，其特征在于：所述隔离半桥驱动单元具有芯片U2，所述PWM控制单元之VIA和VIB端通过芯片U2增强整形输出，于芯片U2外围设置有电阻R12，R12用于调节输出驱动的死区时间，防止高频开关Q5和Q6出现共通的情况。

6.根据权利要求2所述的脉冲BUCK恒流驱动控制电路，其特征在于：所述差分电流采样单元具有运放U5B，所述运放U5B通过将检流电阻RS1两端的弱信号放大以便于提供给所述反馈环路调节单元进行环路调节。

7.根据权利要求1所述的脉冲BUCK恒流驱动控制电路，其特征在于：所述给定与采样比较单元具有运放U5A，所述运放U5A将输出电流模拟量给定值和输出电流采样的模拟量数值进行比较，输出一个短暂的脉宽给到所述单片机信号处理单元进行脉宽时间处理。

8.根据权利要求4所述的脉冲BUCK恒流驱动控制电路，其特征在于：所述环路RC放电时间控制单元具有光耦U3、Q4、电容C19和电阻R14,所述单片机信号处理单元具有芯片U4，所述芯片U4通过MCU_OUT端发出脉冲信号至U3，Q4导通，光耦U3的3、4脚导通工作，将电阻R14与所述电阻R20并联，整体阻值变小，加快电容C19的放电速率，使PWM控制单元之主控芯片COMP电压迅速降低关闭PWM，使输出电流脉冲状态时的下降沿快速关断。

9.一种应用于如权利要求1-8任意一项所述的脉冲BUCK恒流驱动控制电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、所述差分电流采样单元将采集到的电流信号与外部给定信号进行比较，利用天然的采样信号滞后给定信号，输出一个短时间的脉宽到所述单片机信号处理单元；

S2、所述单片机信号处理单元进行脉宽处理，并输出一个固定脉宽去控制所述环路RC放电时间控制单元；

S3、环路RC放电时间控制单元加速对所述反馈环路调节单元中的电容C19快速放电，使主控芯片COMP快速降低；

S4、所述PWM控制单元快速关断，输出电流脉冲时下降沿快速下降。