劉玉龍

摘? 要：該文設(shè)計(jì)了基于3D打印技術(shù)的激光二極管驅(qū)動(dòng)電源。首先研究激光二極管對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求及技術(shù)指標(biāo)，了解激光二極管的V-I特性。針對(duì)激光二極管對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求，設(shè)計(jì)了基于Buck電路的驅(qū)動(dòng)電源。在控制方面，運(yùn)用了預(yù)充電技術(shù)，使驅(qū)動(dòng)電源在啟動(dòng)時(shí)電流上升沿時(shí)間比較短;關(guān)斷時(shí)電流下降沿時(shí)間比較短，滿足了激光二極管的需要。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);激光二極管;預(yù)充電技術(shù);上升沿

中圖分類號(hào)：TN248? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，3D打印的應(yīng)用也越來越廣泛。在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較小的一些物體中，3D打印表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。而隨著3D打印技術(shù)的越發(fā)成熟，其應(yīng)用的領(lǐng)域也逐漸拓寬，對(duì)其前級(jí)的激光二極管的驅(qū)動(dòng)電源的要求也越來越高。激光二極管要求驅(qū)動(dòng)電源既能工作在連續(xù)電流模式，又能工作在調(diào)制模式。該文主要針對(duì)激光二極管的特殊要求，在Buck電路的基礎(chǔ)上，后級(jí)又加入了一只MOSFET，并運(yùn)用了預(yù)充電技術(shù)，滿足了激光二極管的要求。

1 激光二極管對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求

激光二極管在實(shí)際工作時(shí)，要求既能工作在連續(xù)模式，又能工作在調(diào)制模式下。其對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的有以下4點(diǎn)要求。

（1）10A/36V，驅(qū)動(dòng)電源要滿足輸出電流10 A，實(shí)際工作狀態(tài)電壓為自適應(yīng)。電流2 A～10 A（20%～100%）連續(xù)可調(diào)，電壓25 V～36 V自適應(yīng)。另外，鑒于LD個(gè)體之間的差異，電壓最大值需要具備調(diào)至40 V的能力。

（2）調(diào)制頻率：驅(qū)動(dòng)電源要滿足常規(guī)5 kHz的輸出。

（3）輸出電流在啟動(dòng)時(shí)上升沿小于20 μs，關(guān)斷時(shí)下降沿小于15 μs。且超調(diào)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(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

2.1 激光二極管驅(qū)動(dòng)電源的主電路設(shè)計(jì)

激光功率是激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路要穩(wěn)定控制最重要的物理量，通過調(diào)節(jié)激光二極管的驅(qū)動(dòng)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?fù)渲?，其廣泛應(yīng)用于可調(diào)直流開關(guān)電源中。激光二極管驅(qū)動(dòng)電源主電路在BUCK電路的基礎(chǔ)上，在輸出側(cè)增加一個(gè)MOS管，并在原來的輸出端并聯(lián)一個(gè)假負(fù)載（電阻）。

2.2 激光二極管驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)很難做到上升沿小于20 μs，關(guān)斷時(shí)下降沿小于15 μs。所以，在Buck電路的基礎(chǔ)上，在輸出側(cè)增加了一個(gè)MOS管，并在濾波電容上并聯(lián)假負(fù)載（電阻）。假負(fù)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(fù)載（電阻）的大小要根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)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(huì)增加電源的損耗。

（1）當(dāng)電路工作在連續(xù)的工作模式時(shí)，先給Buck電路預(yù)充電，預(yù)充電的電壓要根據(jù)激光二極管的V-I曲線來定。假設(shè)指令電流為I1，此時(shí)對(duì)應(yīng)的V-I曲線電壓為V1，此時(shí)預(yù)充電的電壓就為V1，V1可以通過調(diào)節(jié)Buck電路MOS管的占空比大小來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Buck電路輸出側(cè)的電壓達(dá)到V1后再打開后增加的MOS管，這樣可實(shí)現(xiàn)輸出電流在啟動(dòng)的時(shí)候快速達(dá)到設(shè)定的指令電流值的大小，從而滿足上升沿小于20 μs，關(guān)斷的時(shí)候先關(guān)斷增加的MOS管，然后再關(guān)斷Buck電路的MOS管的要求。

（2）當(dāng)電路工作在調(diào)制模式時(shí)，設(shè)定電流的指令值，也要根據(jù)激光二極管的V-I曲線對(duì)應(yīng)的實(shí)際電壓值先給Buck電路預(yù)充電，然后根據(jù)調(diào)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(zhuǎn)換，濾波電路，然后把信號(hào)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(shí)際工作中要對(duì)激光二極管的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，避免其溫度過高而燒壞。當(dāng)激光二極管溫度過高時(shí)（設(shè)定一個(gè)閾值），CPU要及時(shí)地給出指令，封鎖MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，停止電路運(yùn)行。

3 設(shè)計(jì)結(jié)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(dá)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(diào)制情況下的輸出電流波形，具體情況如下所示。

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

（2）當(dāng)電路工作在連續(xù)模式、滿載、電路停止運(yùn)行時(shí)，輸出電流波形如圖2所示?？梢娸敵鲭娏髟趩?dòng)時(shí)下降沿小于15 μs。

（3）當(dāng)電路工作在調(diào)制模式時(shí)，調(diào)試頻率5 kHz，占空比50%，滿載時(shí)，輸出電流波形如圖3所示。

（4）滿載時(shí)，輸出電流紋波有效值實(shí)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(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)電源在實(shí)際工作時(shí)，性能穩(wěn)定，可靠性高，能夠滿足激光二極管的實(shí)際工作需求。

4 結(jié)語

該文根據(jù)激光二極管的特性需求，設(shè)計(jì)了一種激光二極管驅(qū)動(dòng)電源。該電路既能工作在連續(xù)電流模式，又能工作在調(diào)制模式，電壓在一定范圍內(nèi)自適應(yīng)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(chǔ)上，在輸出側(cè)增加了一只MOS管，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，驅(qū)動(dòng)電源輸出穩(wěn)定可靠，能夠滿足激光二極管的需求。該驅(qū)動(dòng)電源體積小、紋波小、性能好，在激光二極管實(shí)際應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。

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