電流模塊交錯并聯(lián)的光纖激光器電源研制

摘要：提出以4路電流模塊LTM4601并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)低壓大電流輸出的解決方案，其關(guān)鍵是并聯(lián)模塊間的均流，設(shè)計以4路交錯90°的波形分別同步4路模塊的波形交錯技術(shù)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計的獨(dú)特之處在于并聯(lián)電源系統(tǒng)輸出電流母線引入電流反饋以實(shí)現(xiàn)輸出電流值的控制。基于大電流印刷電路板(PCB)設(shè)計得到電源樣機(jī)，其實(shí)驗結(jié)果與設(shè)計目標(biāo)基本相符。實(shí)驗得到最大輸出電流達(dá)到40A，電源轉(zhuǎn)換效率在80％以上，并驗證電源系統(tǒng)的過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)以及強(qiáng)制停機(jī)等功能。
關(guān)鍵詞：波形交錯技術(shù)；光纖激光囂；并聯(lián)電源系統(tǒng)；開關(guān)電源模塊

    自從1960年世界第一臺激光器被發(fā)明以來，激光器就開始被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，然而其龐大的體積并不適合刑偵現(xiàn)場等戶外移動工作。激光器二極管(LD)的出現(xiàn)和發(fā)展，極大地縮小了激光器的體積，提高了電能輸入到激光輸出功率的轉(zhuǎn)換效率；同時以二極管激光管列陣作為泵浦源的大功率激光器，半導(dǎo)體列陣泵浦固體激光器(DPSSL)和LD列陣泵浦光纖激光器也相繼問世，其基本的電氣特征是低壓大電流?，F(xiàn)在英國SPI公司和美國IPC公司已經(jīng)有能力生產(chǎn)和銷售高功率的光纖激光器，其體積和重量已基本滿足便攜或手持的要求。
    低壓大電流電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)能夠?qū)崿F(xiàn)低壓大電流輸出，VRM或其并聯(lián)方式能夠?qū)崿F(xiàn)1．5 V左右50 A及更高的電流輸出，并具有滿足效率高和動態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，VRM或其并聯(lián)主要是以微處理器作為目標(biāo)負(fù)載進(jìn)行設(shè)計，因此VRM并不適合直接用于驅(qū)動大功率激光二極管(L-D)及其列陣的半導(dǎo)體激光器或以其作為泵浦源的激光器。半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源電路還要滿足輸出電流恒定、紋波小和嚴(yán)密的保護(hù)的要求。半導(dǎo)體激光器電源雖然在體積、重量、可靠性和安全性有所發(fā)展，但是仍然不適合便攜式或手持式激光器系統(tǒng)的使用要求。
    本文介紹一種便攜式LD列陣泵浦光纖激光器的驅(qū)動電源的設(shè)計方案，恒流電源模塊并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)大電流的恒流輸出，采用波形交錯技術(shù)同步并聯(lián)模塊以降低輸入和輸出紋波，因此減少輸入和輸出電容值，并且電流輸出母線引入電流反饋以實(shí)現(xiàn)激光器輸出光功率大小的控制。

1 系統(tǒng)方案
    半導(dǎo)體激光器的工作特性是低壓大電流，因此采用降壓(buck)拓?fù)?。二極管工作時會產(chǎn)生0．4～0．8 V的正向壓降，是大電流輸出的主要轉(zhuǎn)換器損耗；以正向壓降很小的同步整流功率場效應(yīng)管(SR MOSFET)代替，其15 A輸出電流下正向壓降只有0．1 V甚至更低，這樣至少減少了75％的電源功率損耗。其工作拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

    單路SR-buck的輸出電流值過大，轉(zhuǎn)換器損耗的絕對值就很大，使得電源內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，因此會導(dǎo)致電源的效率急劇下降，并會降低電源連續(xù)正常工作時間。多路SR-buck并聯(lián)可以分散熱應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)高效率的大電流輸出。圖2是并聯(lián)電源系統(tǒng)方案框圖，以4路位相相差90°的波形來實(shí)現(xiàn)4路SR-buck的交錯并聯(lián)，此交錯技術(shù)可以有效的實(shí)現(xiàn)輸入和輸出波形的紋波，降低輸入和輸出濾波電容值，減小電源的尺寸。電流輸出母線上引入電流反饋環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載不變條件下對于輸出電流值的調(diào)控。

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    圖3是基于圖2的基本原理而設(shè)計的實(shí)際電路的原理圖，采用凌力爾特(LT)公司的SR-buck拓?fù)涞碾娏骺刂颇KLTM4601作為并聯(lián)單元，其優(yōu)點(diǎn)是可以簡單的實(shí)現(xiàn)可編程軟啟動，最大輸出電壓值設(shè)定和輸出電流值的補(bǔ)償控制。采用LT的差分放大芯片LT1620構(gòu)建電流反饋回路，特有的外部控制輸入端。采用LT的振蕩產(chǎn)生芯片LTC6902實(shí)現(xiàn)頻率編程和占空比50％的4相交錯輸出波形輸出。

1．1 模塊LTM4601簡介
    LTM460l屬于LT的μModule電源模塊系列，其輸入電壓范圍是4．5～20 V，輸出電壓在0．6～5 V可調(diào)，具有輸出過壓保護(hù)，電流折返保護(hù)，電流模式控制，強(qiáng)制停機(jī)，外部頻率同步，可編程軟啟動等功能，適用于多模塊間的并聯(lián)均流工作，并采用散熱和接觸性能良好的小體積LGA封裝。圖4是電源模塊LTM4601的內(nèi)部原理框圖，公式(1)是輸出限壓Vout與電阻值Rset以及并聯(lián)模塊個數(shù)N之間的關(guān)系，本文設(shè)定輸出限壓為2．5 V，則計算得到電阻Rset的取值大約是5 kΩ。

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2 波形交錯技術(shù)
    波形交錯技術(shù)可以在不增加開關(guān)頻率的條件下降低輸入和輸出的電流紋波，具有紋波互消和相間分流的優(yōu)點(diǎn)，因此以低開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)高頻輸出電壓紋波；同時波形交錯技術(shù)可以降低輸入電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)，MOSFET開關(guān)的低損耗與低開關(guān)頻率相關(guān)，因此波形交錯技術(shù)提高了并聯(lián)SR-buck的轉(zhuǎn)換效率。
    N個buck交錯并聯(lián)，同步信號的位相差P滿足公式(2)時理論上輸出紋波最小。所以MATLAB Simlink仿真4路SR-buck交錯并聯(lián)時，各同步時鐘信號相差90°，如圖5所示，4路同步信號頻率相同，且占空比50％。

   
    圖6和7是4路交錯并聯(lián)SR—buck的電感電流及其合成波形。圖5中4路電流波形相錯90°，電流波形波動的峰峰值大約是3．8～6．2 V，圖6中的電流合成波形的峰峰值僅為19．937 5～19．937 8 A，由此可見波形交錯技術(shù)在理論上是極大的降低了SR-buck的電感電流紋波，導(dǎo)致輸出濾波電容值和ESR的降低。

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3 樣機(jī)實(shí)驗
3．1 樣機(jī)設(shè)計
    開關(guān)電源的印制電路板(PCB)設(shè)計需要考慮的PCB和器件的抗電磁干擾和散熱。圖8是4路LTM4601并聯(lián)的激光電源PCB的布版圖。如此緊湊和小型化的PCB設(shè)計是為了能夠?qū)㈦娫磁c激光器密封在同一小型封裝內(nèi)，可以很好地保護(hù)脆弱的激光器免受外界環(huán)境的影響，防止激光器的損傷，提升激光輸出的穩(wěn)定性；同時激光器與激光電源固定而短的連線，提升了激光電源的輸出動態(tài)響應(yīng)，降低了電流浪涌產(chǎn)生的可能。激光電源具有大電流輸入和輸出的特征，因此PCB版圖設(shè)計中采用大面積裸露的銅層作為輸入或輸出大電流路徑，保證電流通道低阻抗，同時擴(kuò)展電源的散熱，從而保證電源能夠長時間連續(xù)大電流穩(wěn)定工作。電源樣機(jī)如圖9所示。

3．2 實(shí)驗結(jié)果
    實(shí)驗結(jié)果如圖10所示，實(shí)驗數(shù)據(jù)：輸入電壓5 V，輸出電壓2．47 V，測量電阻大約0．2 Ω，輸出電流12．6 A。此時輸出電壓紋波僅有2％。

    效率測試：實(shí)驗用56 A的特種二極管作為負(fù)載，不同輸入電壓內(nèi)的輸出電流及效率參見表1。

    實(shí)驗得到大電流二極管負(fù)載條件下最大輸出電流達(dá)到40 A。輸出電流值的調(diào)節(jié)控制，過電壓和過電流保護(hù)，強(qiáng)制關(guān)機(jī)功能等功能也得到驗證。

4 總結(jié)
    本文提出一種適用于LD泵浦光纖激光器的4路交錯并聯(lián)SR-BUCK的設(shè)計方案，波形仿真和實(shí)驗曲線結(jié)果表明，波形交錯技術(shù)也適用于電流模式SR-BUCK模塊的并聯(lián)；輸出電流值的調(diào)節(jié)控制表明，輸出母線電流電流反饋環(huán)可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電源系統(tǒng)的電流模式控制。制成的小體積激光器電源僅有90 mmx36 mm，完全適用于便攜式或手持式的光纖激光器。對于高功率密度激光電源，其PCB大電流路徑和電源熱分布還需要進(jìn)一步的理論分析和優(yōu)化。