基于SG3525的新型二氧化碳激光器電源設(shè)計(jì)

夏勝德，周桂耀，范 麗

（1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，秦皇島066000；2.華南先進(jìn)光電子研究院，廣州510006；3.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710021）

基于SG3525的新型二氧化碳激光器電源設(shè)計(jì)

夏勝德1，周桂耀2，范 麗3

（1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，秦皇島066000；2.華南先進(jìn)光電子研究院，廣州510006；3.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710021）

目前二氧化碳激光器在激光切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。穩(wěn)定的泵補(bǔ)源以及穩(wěn)定的光功率輸出對(duì)于激光加工的成敗及優(yōu)良性起著至關(guān)重要的作用。提出了一款基于開關(guān)電源管理芯片SG3525的新型二氧化碳激光器電源設(shè)計(jì)方案，從樣機(jī)實(shí)際效果來看該激光電源具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

二氧化碳激光器；激光電源；PWM控制器SG3525

1 引 言

SG3525在傳統(tǒng)的開關(guān)電源脈沖調(diào)制控制器SG2524的基礎(chǔ)上增加了欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)電路、PWM鎖存圖騰柱式輸出電路。提高了控制電路的可靠性，增強(qiáng)了輸出的穩(wěn)定性，特別適用于電源輸出精度較高的場(chǎng)合。在激光加工領(lǐng)域，激光電源的可靠性和穩(wěn)定性直接影響到輸出光功率的穩(wěn)定性，提出了基于新型電流控制型PWM控制器SG3525設(shè)計(jì)的二氧化碳激光電源旨，在解決當(dāng)前激光加工領(lǐng)域中激光輸出不穩(wěn)定的問題。

2 激光電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

以氣體為工作物質(zhì)的激光器電源系統(tǒng)主要由EMI濾波電路、功率變換電路、控制電路、反饋電路、保護(hù)電路以及輔助電源系統(tǒng)等構(gòu)成。圖1展示了該激光電源的各個(gè)組成部分。

圖1 激光電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖2所示，RT和CT引腳分別外接定時(shí)電阻RT和定時(shí)電容CT，5腳和7腳之間接RD用于調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，振蕩頻率為：

圖2 SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

SG3525的PWM比較器有三個(gè)輸入端，同相端接定時(shí)電容CT產(chǎn)生鋸齒波電壓，反相端一接誤差放大器的輸出端，反相端二接軟啟動(dòng)電路。當(dāng)同相輸入端的鋸齒波電壓高于任何一個(gè)反向端電壓時(shí)，PWM比較器輸出高電平，置位PWM鎖存器，使輸出關(guān)斷；9腳的輸出電壓和鋸齒波電壓比較以決定PWM脈沖的占空比；8腳外接軟啟動(dòng)電容，上電時(shí)，由內(nèi)部恒流源給軟啟動(dòng)電容充電，PWM比較器將輸出從0至最大占空比的脈沖，軟啟動(dòng)完成，隨后PWM占空比由誤差放大器輸出端（9腳）控制；正常工作時(shí)，PWM比較器、振蕩器、以及外部關(guān)斷信號(hào)控制著PWM鎖存器的輸出。PWM鎖存器在每個(gè)振蕩周期被復(fù)位，使輸出級(jí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，PWM比較器根據(jù)占空比的不同對(duì)鎖存器置位，將輸出脈沖關(guān)斷，完成半個(gè)PWM周期，觸發(fā)器的輸出在每半個(gè)PWM周期翻轉(zhuǎn)一次，使脈沖交替出現(xiàn)在脈沖輸出端；當(dāng)關(guān)斷引腳為高電平時(shí)PWM鎖存器置位，禁止SG3525輸出，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖關(guān)斷；在PWM鎖存器置位期間軟啟動(dòng)電容開始放電，如果該關(guān)斷高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直至關(guān)斷信號(hào)結(jié)束重新進(jìn)入軟啟動(dòng)。

2.2 SG3525構(gòu)成的PWM控制電路

SG3525PWM控制電路如圖3所示，軟啟動(dòng)端接對(duì)地10μF的軟啟動(dòng)電容，上電過程中，由內(nèi)部50μA的電流源給軟啟動(dòng)電容充電，使電容的電壓線性緩慢升高，PWM比較器將輸出從零逐漸變到最大占空比的PWM脈沖，從而完成軟啟動(dòng)過程，啟動(dòng)后的PWM脈沖占空比由誤差放大器的輸出（9腳）電壓控制。

圖3 PWM控制電路

2.3 功率管隔離驅(qū)動(dòng)電路、功率變換電路

如圖4所示，本電源驅(qū)動(dòng)部分采用三極管圖騰柱式脈變隔離驅(qū)動(dòng)，Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成圖騰柱式輸出，在SG3525的PWM電平作用下三極管對(duì)Q1和Q4，Q2和Q3成對(duì)導(dǎo)通和截止，用于驅(qū)動(dòng)變壓器，構(gòu)成了功率MOS前級(jí)隔離驅(qū)動(dòng)電路，一方面增加了驅(qū)動(dòng)能力，另一方面，由于隔離的存在防止了MOS截止時(shí)開關(guān)應(yīng)力對(duì)控制電路造成的損傷。CX1為隔直電容，RX1為限流電阻。電路的后半部分為LLC半橋諧振電路，兩個(gè)MOS管中間串接電感L2，并從L2的中心抽頭輸出電壓，提高了下級(jí)高壓包的輸出電壓。D3和C10，D4和C11為尖峰電壓抑制二極管和尖峰電壓吸收電容，有效緩解了開關(guān)管的開關(guān)應(yīng)力。D1和D2用于加速M(fèi)OS管導(dǎo)通，Q5和Q6用于加速M(fèi)OS管截止，C12為EMI濾波電容。

圖4 隔離驅(qū)動(dòng)及功率變換電路

2.4 保護(hù)電路

水保護(hù)系統(tǒng)原理如圖5所示。關(guān)閉激光管的光功率輸出主要由SG3525控制器的第10引腳控制，當(dāng)該端口為高電平時(shí)控制器的PWM輸出被禁止。保護(hù)電路由水保護(hù)以及過壓保護(hù)共同實(shí)現(xiàn)控制，出現(xiàn)無冷卻水或者出現(xiàn)過壓時(shí)PWM控制器的輸出都會(huì)被禁止。激光管冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中內(nèi)置了水壓傳感器，水保護(hù)端電信號(hào)由水壓傳感器經(jīng)放大后接至單向?qū)ǘO管D14，正常工作時(shí)水冷卻系統(tǒng)中有循環(huán)水存在，水壓傳感器端輸出低電平，與此同時(shí)，采樣電壓經(jīng)由運(yùn)放LM358與輔助電源電壓分壓（閾值電壓）進(jìn)行比較，當(dāng)采樣電壓在閾值電壓范圍內(nèi)時(shí)，運(yùn)放LM38輸出低電平，此時(shí)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)采樣電壓高于閾值電壓或者冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中無水存在時(shí)，關(guān)閉輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。

圖5 水保護(hù)及過壓保護(hù)電路

2.5 控制電路

激光管中的電流大小是控制電路控制的核心對(duì)象。根據(jù)SG3525的工作原理，SG3525內(nèi)部PWM比較器有3個(gè)輸入端，同相端接定時(shí)電容形成鋸齒波電壓，一個(gè)反相端接誤差放大器的輸出（9腳），另一個(gè)反相端接軟啟動(dòng)電路。當(dāng)同相端的鋸齒波電壓高于任何一個(gè)反相端電壓時(shí)，PWM比較器輸出高電平使輸出關(guān)斷，誤差放大器的9腳電壓與鋸齒波電壓比較，控制著PWM脈沖占空比。如圖6左半部分所示，電流互感器的電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為電壓（反饋電壓），反饋電壓與外接控制信號(hào)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)外接電壓大于反饋電壓（即外部通過電平調(diào)節(jié)希望增大激光管電流提高激光功率輸出），PWM控制器2腳上出現(xiàn)高電壓電平，通過電阻反饋給誤差放大器輸出端，從而使誤差放大器輸出端電平高于鋸齒波電壓，繼而增大了PWM輸出的占空比，增加了開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)增大激光管電流的目的。反之，當(dāng)外接電平減小時(shí)，減小了PWM占空比，減小了開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而減小激光管輸出功率。

圖6 控制電路

3 結(jié)束語

該激光電源樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際使用過程中表現(xiàn)穩(wěn)定，性能可靠，但將這款電源應(yīng)用于激光加工等領(lǐng)域仍有一些控制方面的工作需要改進(jìn)，總的來說這款電源具有一定的商業(yè)前景。

［1］馬洪濤，沙占友，周芬萍.開關(guān)電源制作與調(diào)試［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］梁國忠，梁作亮.激光電源電路［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1995.

Design on Power of New Carbon Dioxide Laser Based on SG3525

XIA Sheng-de1，ZHOU Gui-yao2，F(xiàn)AN Li3
（1.College of Information Science and Technology，Yanshan University，QinHuangDao 066000，China；2.South China Academy of Advanced Optoelectronics，Guangzhou 510006，China；3.College of Electronic and Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China）

Now，the carbon dioxide laser is widely used in the fields of laser cutting，welding，surface treatment，drilling and micro-processing.It is very important for laser processing and performance to keep stable source pump up and steady optical power output.This paper presents a design of new laser power based on the powermanagement ICSG3525.The test results show that the laser power has good reliability and stability，and it also has good applications prospects in themarket.

Carbon dioxide lasers；Laser power；SG3525 PWM Controller

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.017

TM911.1

：B

：1002-2279（2014）05-0059-04

夏勝德（1987-），男，湖北省黃岡市人，在讀研究生，主研方向：嵌入式系統(tǒng)及開關(guān)電源。

2014-02-12