一種用于3D打印的激光電源設計

劉玉龍

摘? 要：該文設計了基于3D打印技術的激光二極管驅動電源。首先研究激光二極管對驅動電源的要求及技術指標，了解激光二極管的V-I特性。針對激光二極管對驅動電源的要求，設計了基于Buck電路的驅動電源。在控制方面，運用了預充電技術，使驅動電源在啟動時電流上升沿時間比較短;關斷時電流下降沿時間比較短，滿足了激光二極管的需要。

關鍵詞：3D打印技術;激光二極管;預充電技術;上升沿

中圖分類號：TN248? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著社會的發(fā)展，3D打印的應用也越來越廣泛。在一些結構復雜且體積較小的一些物體中，3D打印表現(xiàn)出了明顯的應用優(yōu)勢。而隨著3D打印技術的越發(fā)成熟，其應用的領域也逐漸拓寬，對其前級的激光二極管的驅動電源的要求也越來越高。激光二極管要求驅動電源既能工作在連續(xù)電流模式，又能工作在調制模式。該文主要針對激光二極管的特殊要求，在Buck電路的基礎上，后級又加入了一只MOSFET，并運用了預充電技術，滿足了激光二極管的要求。

1 激光二極管對驅動電源的基本要求

激光二極管在實際工作時，要求既能工作在連續(xù)模式，又能工作在調制模式下。其對驅動電源的有以下4點要求。

（1）10A/36V，驅動電源要滿足輸出電流10 A，實際工作狀態(tài)電壓為自適應。電流2 A～10 A（20%～100%）連續(xù)可調，電壓25 V～36 V自適應。另外，鑒于LD個體之間的差異，電壓最大值需要具備調至40 V的能力。

（2）調制頻率：驅動電源要滿足常規(guī)5 kHz的輸出。

（3）輸出電流在啟動時上升沿小于20 μs，關斷時下降沿小于15 μs。且超調要小于1%。

（4）輸出電流紋波有效值小于150 mA。

2 激光二極管驅動電源的設計

2.1 激光二極管驅動電源的主電路設計

激光功率是激光二極管的驅動電路要穩(wěn)定控制最重要的物理量，通過調節(jié)激光二極管的驅動電流的大小，精確控制激光二極管的發(fā)射光功率。DC/DC變化器是將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?，其中，Buck電路是最有代表性的拓撲之一，其廣泛應用于可調直流開關電源中。激光二極管驅動電源主電路在BUCK電路的基礎上，在輸出側增加一個MOS管，并在原來的輸出端并聯(lián)一個假負載（電阻）。

2.2 激光二極管驅動電源的控制方法

為了滿足輸出電流穩(wěn)定且紋波較小，Buck電路的輸出端并聯(lián)有很大的濾波電容，所以輸出電流在電路啟動時很難做到上升沿小于20 μs，關斷時下降沿小于15 μs。所以，在Buck電路的基礎上，在輸出側增加了一個MOS管，并在濾波電容上并聯(lián)假負載（電阻）。假負載（電阻）的作用是減弱了輸出電壓的非線性化（非線性化指的是輸出電壓與Buck電路MOS管的占空比大小是不成比例的）。假負載（電阻）的大小要根據(jù)實際試驗而定，如果太大，輸出電壓的非線性化還是比較明顯，如果太小，又會增加電源的損耗。

（1）當電路工作在連續(xù)的工作模式時，先給Buck電路預充電，預充電的電壓要根據(jù)激光二極管的V-I曲線來定。假設指令電流為I1，此時對應的V-I曲線電壓為V1，此時預充電的電壓就為V1，V1可以通過調節(jié)Buck電路MOS管的占空比大小來實現(xiàn)。當Buck電路輸出側的電壓達到V1后再打開后增加的MOS管，這樣可實現(xiàn)輸出電流在啟動的時候快速達到設定的指令電流值的大小，從而滿足上升沿小于20 μs，關斷的時候先關斷增加的MOS管，然后再關斷Buck電路的MOS管的要求。

（2）當電路工作在調制模式時，設定電流的指令值，也要根據(jù)激光二極管的V-I曲線對應的實際電壓值先給Buck電路預充電，然后根據(jù)調制頻率和占空比來控制后增加的MOS管即可。

（3）為了滿足輸出電流的穩(wěn)定度，輸出電流采樣選用LEM：LAH25-P，并經(jīng)過A/D轉換，濾波電路，然后把信號送入CPU。由于LEM采樣精度比較高，這樣能保證輸出電流的精度，從而能精確地控制激光器光功率的輸出大小。

（4）實際工作中要對激光二極管的溫度進行實時監(jiān)測，避免其溫度過高而燒壞。當激光二極管溫度過高時（設定一個閾值），CPU要及時地給出指令，封鎖MOS管的驅動信號，停止電路運行。

3 設計結果測試

測試用的示波器是泰克數(shù)字示波器DPO-4034，其帶寬達到了350 MHz，電流探頭用泰克的電流探頭，分別測試了電路在電流連續(xù)和調制情況下的輸出電流波形，具體情況如下所示。

（1）當電路工作在連續(xù)模式、滿載、電路啟動時，輸出電流波形如圖1所示?？梢娸敵鲭娏髟趩訒r上升沿小于20 μs，且沒有超調。

（2）當電路工作在連續(xù)模式、滿載、電路停止運行時，輸出電流波形如圖2所示。可見輸出電流在啟動時下降沿小于15 μs。

（3）當電路工作在調制模式時，調試頻率5 kHz，占空比50%，滿載時，輸出電流波形如圖3所示。

（4）滿載時，輸出電流紋波有效值實測為6.62 mA。電流紋波有效值大小滿足小于150 mA的要求。

以上的測試結果表明，驅動電源在實際工作時，性能穩(wěn)定，可靠性高，能夠滿足激光二極管的實際工作需求。

4 結語

該文根據(jù)激光二極管的特性需求，設計了一種激光二極管驅動電源。該電路既能工作在連續(xù)電流模式，又能工作在調制模式，電壓在一定范圍內自適應輸出，滿足3D打印用激光二極管的特殊要求，。在Buck電路的基礎上，在輸出側增加了一只MOS管，經(jīng)過試驗驗證，驅動電源輸出穩(wěn)定可靠，能夠滿足激光二極管的需求。該驅動電源體積小、紋波小、性能好，在激光二極管實際應用中具有一定的參考價值。

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