大功率光纖激光器恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)分析

楊丕龍

摘??要：光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，與傳統(tǒng)固體激光器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。其中恒流驅(qū)動(dòng)電源作為光纖激光器中的重要組成部分，對光纖激光器提供充足電源起到關(guān)鍵性作用，能有效改善傳統(tǒng)線性電源能量消耗大的問題，提升對能源的使用效率?；诖?，主要對大功率光纖激光器恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：大功率??光纖激光器??恒流驅(qū)動(dòng)電源??設(shè)計(jì)分析

中圖分類號(hào)：TN248

Analysis?of?the?Design?of?the?Constant-Current?Driving?Power?Supply?for?High-Power?Fiber?Lasers

YANG?Pilong

AVIC?Manufacturing?Technology?Institute，?Beijing，?100024?China

Abstract：?A?fiber?laser，?as?a?representative?of?the?third-generation?laser?technology，?has?the?advantages?of?the?simple?structure?and?high?conversion?efficiency?compared?to?traditional?solid-state?lasers.?The?constant-current?driving?power?supply，?as?an?important?component?of?fiber?lasers，?plays?a?crucial?role?in?providing?sufficient?power?for?fiber?lasers，?which?can?effectively?improve?the?problem?of?the?high?energy?consumption?of?traditional?linear?power?supplies?and?enhance?the?use?efficiency?of?energy.?Based?on?this，?this?article?mainly?analyzes?and?studies?the?design?of?the?constant-current?driving?power?supply?for?high-power?fiber?lasers，?in?order?to?provide?reference?for?relevant?personnel.

Key?Words：?High?power;?Fiber?laser;?Constant-current?driving?power?supply；Design?analysis

隨著光纖激光器技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對于高功率光纖激光器驅(qū)動(dòng)電源的需求也越來越迫切。恒流驅(qū)動(dòng)電源作為一種重要的供電方式，能夠提供穩(wěn)定且精確的電流輸出，對光纖激光器的性能和穩(wěn)定性具有關(guān)鍵影響。本文旨在設(shè)計(jì)一種高效、可靠且精密的大功率光纖激光器恒流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代光纖激光器系統(tǒng)對電源質(zhì)量和性能的要求。最終推動(dòng)光纖激光器技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。

1?光纖激光器結(jié)構(gòu)與工作原理分析

在光纖激光器的結(jié)構(gòu)中，光纖芯是光纖激光器的核心部分，通常由具有特定折射率的材料制成，將活性離子或摻雜物被引入光纖芯中，以增加激光的放大效果，而泵浦光源主要是能夠提供多個(gè)能量，激發(fā)光纖中的活性離子或摻雜物，通常泵浦光源通常為半導(dǎo)體激光器、二極管激光器或強(qiáng)光脈沖等，當(dāng)泵浦光源的能量傳遞到光纖芯中，使其處于激發(fā)狀態(tài)。在反射器中，通常光纖激光器使用兩個(gè)反射鏡來形成激光諧振腔，其中第一個(gè)反射鏡是完全反射鏡，第二個(gè)反射鏡是部分透射鏡，這種結(jié)構(gòu)使得激光在光纖中來回反射，形成諧振腔，并最終通過部分透射鏡從激光器輸出，在輸出耦合方面，部分透射鏡用于耦合或控制輸出的激光功率[1]。通過調(diào)整透射鏡的反射率和方向，可以控制輸出激光的強(qiáng)度和方向性。

2?大功率光纖激光器恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)分析

2.1主功率電路分析設(shè)計(jì)

2.1.1電源電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

該部分設(shè)計(jì)需要選擇適當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的恒流驅(qū)動(dòng)。常見的電源電路拓?fù)浒ㄩ_環(huán)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)等。

在開環(huán)結(jié)構(gòu)中，主要使用開關(guān)模式電源，如開關(guān)電源或諧振變換器，提供高效的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定的輸出電流，但對于噪聲和干擾敏感，并且需要精確地控制電路來實(shí)現(xiàn)恒流輸出。閉環(huán)結(jié)構(gòu)采用反饋控制回路，其中恒流控制器通過感知輸出電流并與參考信號(hào)比較，調(diào)整開關(guān)電源或諧振變換器的工作狀態(tài)。閉環(huán)拓?fù)渫ǔ＞哂懈玫姆€(wěn)定性和抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)更精確的恒流輸出。此外，還需考慮濾波電路以減小輸入和輸出的電噪聲，保護(hù)電源和附近的電子元件。同時(shí)合適的元件選擇（如電感、電容和開關(guān)元件）以及適當(dāng)?shù)膮?shù)計(jì)算也是必要的，以確保電路的高效運(yùn)行和穩(wěn)定性[3]。

2.1.2半橋LLC諧振變換器設(shè)計(jì)

半橋LLC諧振變換器在光纖激光器電源的主功率電路中扮演著重要的角色，半橋LLC諧振變換器在結(jié)合半橋拓?fù)浜蚅LC諧振特性的基礎(chǔ)上，能夠提供高效率和高功率密度的電源轉(zhuǎn)換解決方案。在光纖激光器恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中，半橋LLC諧振變換器被廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的恒流輸出。

在設(shè)計(jì)半橋LLC諧振變換器時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素。

在進(jìn)行頻率選擇的過程中，通常選擇合適的諧振頻率對于電路的性能至關(guān)重要。通常，選擇高頻率可以減小變壓器尺寸和電感器的值，同時(shí)也會(huì)增加開關(guān)損耗和電容元件的要求。需要綜合考慮電路的效率和成本進(jìn)行選擇。在變壓器設(shè)計(jì)當(dāng)中，變壓器是半橋LLC諧振變換器中的關(guān)鍵組件，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮輸入電壓范圍、輸出功率需求和諧振頻率等因素，然后合理選擇磁芯材料、匝數(shù)比和線徑以及工作模式（如全橋或半橋）等，可以實(shí)現(xiàn)高效能轉(zhuǎn)換和減小功率損耗。例如在變壓器設(shè)計(jì)中，磁芯參數(shù)設(shè)計(jì)比較關(guān)鍵，以PQ5050磁芯相關(guān)參數(shù)為例，具體參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

2.2??電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

2.2.1??數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

該模塊的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測激光器的電流輸出，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

在硬件設(shè)計(jì)方面，數(shù)據(jù)采集模塊通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵組件。

第一，在傳感器選擇方面，選擇適合大功率激光器電流測量的傳感器，如霍爾效應(yīng)傳感器或電流互感器。確保能夠以高精度和快速的方式檢測激光器的輸出電流。第二，在信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)中，將采集到的傳感器信號(hào)需要經(jīng)過放大、濾波和線性化等處理，以確保準(zhǔn)確性和可靠性。信號(hào)調(diào)理電路可以通過運(yùn)算放大器、濾波器和線性化電路等元件來實(shí)現(xiàn)。第三，在ADC轉(zhuǎn)換器設(shè)置方面，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)是數(shù)據(jù)采集過程的關(guān)鍵步驟。ADC轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，以便于后續(xù)處理和傳輸[4]。

2.2.2??主控制模塊硬件設(shè)計(jì)

主控制模塊硬件設(shè)計(jì)通常是負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制輸出電流，確保光纖激光器能夠平穩(wěn)運(yùn)行，在具體設(shè)計(jì)的過程中，首先，要求主控制模塊硬件選擇適當(dāng)?shù)目刂菩酒蛭⒖刂破髯鳛橹骺刂茊卧?，芯片要求能夠具備高速?jì)算能力和豐富的接口功能，以滿足恒流驅(qū)動(dòng)的需求。其次，設(shè)計(jì)合適的電流檢測電路，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測光纖激光器的輸出電流。通常使用電流傳感器或電阻來測量電流值，并將其反饋給控制芯片。然后，配備一個(gè)精確的參考電壓源，用于提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。從而通過穩(wěn)壓器電路或者放大器電路來實(shí)現(xiàn)，確保恒流驅(qū)動(dòng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[5]。

2.2.3??驅(qū)動(dòng)器電源軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器電源軟件設(shè)計(jì)一般是通過恒流控制算法的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，該算法通過監(jiān)測激光器電流，與設(shè)定的目標(biāo)電流進(jìn)行比較，以調(diào)整電源輸出來保持恒流驅(qū)動(dòng)。常見的恒流控制算法有PID控制、模糊控制等。然后需要實(shí)時(shí)采集并處理激光器電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)。通過合適的傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊，將數(shù)據(jù)傳輸給軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和處理，以便及時(shí)調(diào)整電源輸出并保持恒流驅(qū)動(dòng)。另外在軟件設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)考慮到激光器的保護(hù)機(jī)制。當(dāng)激光器出現(xiàn)過流、過溫或其他異常情況時(shí)，軟件應(yīng)具備相應(yīng)的保護(hù)功能，及時(shí)停止驅(qū)動(dòng)電源輸出，以避免對激光器造成損害。

2.3??散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1??功率損耗計(jì)算

在大功率光纖激光器恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中，散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重要影響，以確保電源和激光器能夠穩(wěn)定運(yùn)行并避免過熱。為了正確設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)，需要進(jìn)行功率損耗計(jì)算來確定所需的散熱能力。

首先，需要確定激光器的工作電流和電源的效率。根據(jù)光纖激光器的規(guī)格和廠商提供的數(shù)據(jù)，確定好激光器的額定工作電流。然后，通過查閱相應(yīng)的電源規(guī)格表或聯(lián)系廠商獲取電源的效率數(shù)據(jù)計(jì)算激光器和電源的功率損耗，激光器的功率損耗可以通過將工作電流乘以激光器的電壓降得到。例如：如果激光器的工作電流為10?A，電壓降為2?V，則功率損耗為其中A表示電流，V表示電壓。

電源的功率損耗可以通過將輸入功率乘以（1-效率）來計(jì)算。假設(shè)電源的輸入功率為100?W，效率為90％，則電源的功率損耗為其中W表示電損功率。確定了激光器和電源的功率損耗后，可以計(jì)算散熱系統(tǒng)所需的散熱能力。散熱能力通常以熱阻的形式表示，該參數(shù)描述了每瓦特功率損耗導(dǎo)致的溫度升高。假設(shè)散熱器的熱阻為0.5?℃/W，根據(jù)激光器和電源的功率損耗計(jì)算結(jié)果，激光器將導(dǎo)致溫度升高10?℃，而電源將導(dǎo)致溫度升高5?℃。最后，需要確保散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠?qū)⑦@些溫度升高有效地分散和降低。比如選擇合適的散熱器類型、散熱片尺寸和材料，以及優(yōu)化風(fēng)道和風(fēng)扇配置等措施[6]。

2.3.2??電源系統(tǒng)散熱仿真

在大功率光纖激光器恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中，電源系統(tǒng)的散熱是一個(gè)關(guān)鍵問題。高功率激光器產(chǎn)生的熱量需要快速散發(fā)出去，以確保整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。進(jìn)行散熱仿真前需要確定電源系統(tǒng)的散熱需求。通過計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)來獲得激光器工作時(shí)的最大功耗和溫升，并確定需要散熱的熱量。其次，選擇合適的散熱器和散熱方式。常見的散熱器包括風(fēng)扇散熱器、散熱片和熱管等。選擇散熱器要考慮到其散熱性能、體積和成本等因素，需要選擇合適的散熱方式，如自然對流散熱或強(qiáng)制對流散熱。然后，進(jìn)行散熱系統(tǒng)的布局和設(shè)計(jì)。在電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理安排散熱器的位置和布局，以確保熱量能夠有效地傳導(dǎo)和排出。同時(shí)，還需要注意電路板的布局，避免熱量集中在某些區(qū)域，影響整個(gè)系統(tǒng)的散熱效果。

3??結(jié)語

綜上所述，本文在分析光纖激光器具體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對激光器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析研究，通過對設(shè)計(jì)要點(diǎn)的實(shí)施，能夠進(jìn)一步提高對光纖激光器的穩(wěn)定性與可靠性，提高電源的輸出功率和效率。為此需要不斷提高重視，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，最終促進(jìn)激光器領(lǐng)域的可持續(xù)性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[6]吳嘉文，齊雨，吳新科.航天用高效率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源[J].上海航天（中英文），2020，37（2）：81-87.