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打印表現出了明顯的應用優勢。而隨著3D打印技術的越發成熟，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，實際工作狀態電壓為自適應。電流2 A～10 A（20%～100%）連續可調，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定控制最重要的物理量，通過調節激光二極管的驅動電流的大小，精確控制激光二極管的發射光功率。DC/DC變化器是將不可控的直流輸入變為可控的直流輸出，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定且紋波較小，Buck電路的輸出端并聯有很大的濾波電容，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）當電路工作在連續的工作模式時，先給Buck電路預充電，預充電的電壓要根據激光二極管的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Buck電路MOS管的占空比大小來實現。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定度，輸出電流采樣選用LEM：LAH25-P，并經過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）當電路工作在連續模式、滿載、電路啟動時，輸出電流波形如圖1所示。可見輸出電流在啟動時上升沿小于20 μs，且沒有超調。

（2）當電路工作在連續模式、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，經過試驗驗證，驅動電源輸出穩定可靠，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。

參考文獻

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