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。設計的獨特之處在于并聯(lián)電源系統輸出電流母線(xiàn)引入電流反饋以實(shí)現輸出電流值的控制?；诖箅娏饔∷㈦娐钒?PCB)設計得到電源樣機，其實(shí)驗結果與設計目標基本相符。實(shí)驗得到最大輸出電流達到40A，電源轉換效率在80％以上，并驗證電源系統的過(guò)電壓保護和過(guò)電流保護以及強制停機等功能。
關(guān)鍵詞：波形交錯技術(shù)；光纖激光囂；并聯(lián)電源系統；開(kāi)關(guān)電源模塊

自從1960年世界第一臺激光器被發(fā)明以來(lái)，激光器就開(kāi)始被廣泛應用于各領(lǐng)域，然而其龐大的體積并不適合刑偵現場(chǎng)等戶(hù)外移動(dòng)工作。激光器二極管(LD)的出現和發(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換效率；同時(shí)以二極管激光管列陣作為泵浦源的大功率激光器，半導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(wèn)世，其基本的電氣特征是低壓大電流?，F在英國SPI公司和美國IPC公司已經(jīng)有能力生產(chǎn)和銷(xiāo)售高功率的光纖激光器，其體積和重量已基本滿(mǎn)足便攜或手持的要求。
低壓大電流電壓調節模塊(VRM)能夠實(shí)現低壓大電流輸出，VRM或其并聯(lián)方式能夠實(shí)現1．5 V左右50 A及更高的電流輸出，并具有滿(mǎn)足效率高和動(dòng)態(tài)響應速度快等特點(diǎn)，VRM或其并聯(lián)主要是以微處理器作為目標負載進(jìn)行設計，因此VRM并不適合直接用于驅動(dòng)大功率激光二極管(L-D)及其列陣的半導體激光器或以其作為泵浦源的激光器。半導體激光器驅動(dòng)電源電路還要滿(mǎn)足輸出電流恒定、紋波小和嚴密的保護的要求。半導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動(dòng)電源的設計方案，恒流電源模塊并聯(lián)以實(shí)現大電流的恒流輸出，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(xiàn)引入電流反饋以實(shí)現激光器輸出光功率大小的控制。

1 系統方案
半導體激光器的工作特性是低壓大電流，因此采用降壓(buck)拓撲。二極管工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生0．4～0．8 V的正向壓降，是大電流輸出的主要轉換器損耗；以正向壓降很小的同步整流功率場(chǎng)效應管(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。其工作拓撲結構如圖1所示。

單路SR-buck的輸出電流值過(guò)大，轉換器損耗的絕對值就很大，使得電源內部產(chǎn)生很大的熱應力，因此會(huì )導致電源的效率急劇下降，并會(huì )降低電源連續正常工作時(shí)間。多路SR-buck并聯(lián)可以分散熱應力，實(shí)現高效率的大電流輸出。圖2是并聯(lián)電源系統方案框圖，以4路位相相差90°的波形來(lái)實(shí)現4路SR-buck的交錯并聯(lián)，此交錯技術(shù)可以有效的實(shí)現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(xiàn)上引入電流反饋環(huán)路，以實(shí)現負載不變條件下對于輸出電流值的調控。