一種用于激光清洗的多支路微秒級激光器驅動電源及控制技術的研究*

劉繼男鄭 華孫艷鶴方 媛鐵 軍范純鈺張成兵

(1.國網遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧沈陽 110000；2.華北電力大學，北京 102206；3.沈陽經濟技術開發區熱電有限公司，遼寧沈陽 110000；4.北京中科創世科技發展有限公司，北京 100084)

激光清洗技術是近十年來飛速發展的一種新型清洗技術，它以自身的優勢和不可替代性，在許多領域中逐步取代了傳統清洗工藝[1]。與傳統清洗相比，激光清洗具有非接觸、無損傷、清洗效率高、清潔質量好、綠色無污染的優點，是一種綠色的清洗方法。在激光清洗的過程中，激光照射到工件表面，并與物質發生物理化學作用，剝離基材表面污染物，其產物可以通過相應的凈化裝置吸收，不對加工環境造成影響，已清洗的表面反射大部分激光，不損傷基材[2]。

當前，可用于激光清洗的商品化激光器驅動電源，比較知名的國外公司的產品，如美國Wavelength公司的QCL 驅動電源、ILXlight 的LDX3200 系列驅動電源等，它們都具有窄脈沖、大電流的驅動能力(驅動脈沖窄至1 μs，驅動電流高至10 A)[3]。但是它們均只能驅動單只激光器，不具備多支激光器驅動能力。國內激光器驅動電源的科研單位以吉林大學、安徽光機所等為代表[4-5]。它們研制的驅動電源也不具備多支驅動能力。

由于被清洗對象的種類繁多，單只激光器難以達到較好的清洗效果，所以研制一種能夠同時驅動多支激光器的驅動電源成為亟需。采用時分復用控制技術，研制了一種新型多支路微秒級激光器驅動電源。既測試其驅動能力，也驗證了其除銹的效果，證明其在實際應用中的可行性。

1 驅動電原硬件系統設計

多支路微秒級激光器驅動電源的硬件系統由以下5 部分組成，分別為激光器時分復用信號產生模塊、控制模塊、高速脈沖產生模塊、恒流源模塊以及保護電路模塊組成，如圖1 所示。

圖1 系統組成框圖

圖1 中，采用美國TI 公司浮點型32 位數字信號處理芯片(TMS320LF28335)作為控制模塊核心。高速脈沖產生模塊能夠產生信號周期、脈沖寬度和脈沖幅值均可調的驅動信號。時分復用信號產生模塊基于“時分復用”技術[6]，使各個驅動支路的驅動電流在時間上錯開，達到各支路驅動電流互不影響的效果。壓控恒流源模塊采用運算放大器線性負反饋原理，通過調節運算放大器同相端電壓實現對激光器驅動電流的控制。系統還包含保護電路模塊，采用在激光器兩端并聯瞬態抑制二極管防止因驅動電流過大導致的擊穿，以及采用靜電屏蔽罩將激光器封閉防止因靜電給激光器帶來不可恢復的損壞。軟件設計方面，對MOSFET 傳輸特性數據進行分段擬合，進一步提升輸出電流線性度指標。

1.1 控制模塊

控制模塊采用美國德州儀器公司的32 位浮點數字信號處理器TMS320LF28335，其主要功能如下:(1)產生高速脈寬寬度調制(PWM)信號。(2)驅動數模轉換器(DAC)產生高精度模擬信號。(3)控制激光器時分復用信號產生模塊。

根據上述3 項功能，具體實現如下:(1)采用TMS320LF28335 內部事件管理器，根據驅動電流需求，可實現TTL 電平輸出的PWM 信號。(2)TMS320LF28335 通過SPI 接口與16 位數模轉換器LTC1655 通信，實現數字信號到模擬信號的轉換。(3)TMS320LF28335 通過內部GPIO 接口，實現對激光器時分復用信號產生模塊的控制。

1.2 高速脈沖產生模塊

高速脈沖產生模塊能夠產生信號周期、脈沖寬度和脈沖幅值均可調的驅動信號。核心控制器TMS320LF28335 控制16 位DAC 產生幅值可調的電壓信號輸入給模擬開關，作為一路信號。模擬開關另外一路信號接地。核心控制器TMS320LF28335產生周期和占空比可調的PWM 波高速切換模擬開關2 路輸入信號。由于模擬開關輸出電壓有限，采用放大電路對其輸出信號進行放大，從而輸出信號周期、脈沖寬度和脈沖幅值均可調的驅動信號。

圖2 高速脈沖產生模塊

1.3 時分復用信號產生模塊

該模塊基于“時分復用”技術，使各個驅動支路的驅動電流在時間上錯開，達到各支路驅動電流互不影響的效果。

由于對多支激光器驅動各個支路采用高邊MOSFET 時分復用切換方式[7]，所以需要對其進行驅動。時分復用信號產生模塊如圖3 所示，采用DC/DC 隔離電源模塊為MOSFET 驅動芯片IR2117提供隔離電壓。控制信號通過芯片IR2117 實現對MOSFET(高邊)控制，達到對多支激光器驅動支路的開啟/關斷控制。

圖3 單支路時分復用信號產生模塊

1.4 壓控恒流源模塊

壓控恒流源模塊采用深度線性負反饋原理，利用輸入電壓來控制驅動電流，其原理框圖如圖4 所示。

圖4 恒流源模塊原理框圖

由于運算放大器U1反向輸入端輸入阻抗無窮大，激光器驅動支路電流全部經過采樣電阻R2流入地。R2產生電壓需與運算放大器U1同相端脈沖輸入電壓保持一致(虛短)，微小電壓差經過運算放大器U1放大后驅動MOSFET(Q1)，從而通過調節脈沖輸入電壓的幅值實現對驅動電流的控制。快速恢復二極管D1和電阻R1，組成Q1結電容快速充電與放電回路，加快驅動信號的上升/下降沿。

1.5 保護電路模塊設計

保護電路模塊主要防止激光器因驅動電流過大或者瞬間靜電導致的不可恢復的損壞[8]。針對驅動電流過大，采用在激光器兩端并聯瞬態抑制二極管，當驅動電流過大時，瞬態抑制二極管導通，對激光器進行保護。對于瞬態靜電方面，采用靜電屏蔽罩將激光器封閉，避免靜電損壞激光器。

2 驅動電源軟件系統設計

由于驅動電源輸出電流線性度是衡量其性能的重要指標。如前文所述，壓控恒流源采用線性負反饋原理，有效地降低了MOSFET 的非線性度[9-10]。但是由于MOSFET 傳輸特性呈非線性，使得驅動電源仍存在非線性誤差。所以在軟件設計方面，對MOSFET 傳輸特性數據進行分段擬合，利用分段擬合函數對驅動電源輸出特性進行補償，整體上構成二階非線性矯正，從而進一步提升輸出電流線性度指標。

首先將MOSFET 連續特性曲線分離成離散的數據，再將MOSFET 特性曲線分段化，利用4 種函數模型將離散數據進行高精度擬合。4 種函數模型分別為Lorentz 函數，Logistic 函數，二階多項式函數和E 指數函數，如表1 所示。

表1 分段擬合函數及擬合度

式中:ID為漏極電流；VGS為柵源電壓。

對MOSFET 傳輸特性數據進行分段擬合結果如圖5 所示。

圖5 MOSFET 特性曲線擬合

電壓VGS 從低壓到高壓來看。在低電壓段，采用洛倫茲擬合。在中間電壓段分別采用邏輯回歸擬合和二階多項式擬合。在高電壓段采用E 指數擬合。各分段擬合具有極高的擬合度，最大擬合度達到99%，平均擬合度達到98.25%。

3 驅動電源性能測試

根據上述驅動電源在硬件和軟件方面設計，研制的驅動電源達到以下技術指標:驅動電流幅值0～3 A，驅動電流周期0～200 μs，占空比0～100%，線性度99.97%，長期穩定度優于4×10-5。

實驗中，對研制驅動電源的驅動電流波形、驅動電流線性度、驅動電流穩定度以及陣列中紅外量子級聯激光器(QCL)發光光譜進行了測試。

3.1 驅動電流波形

預設驅動電流為2 A，各支路驅動電流周期為200 μs，占空比為1%。4 只QCL 激光器驅動波形如圖6 所示。

圖6 驅動電流波形圖

圖6 中，圓圈部分為QCL 驅動電流的放大圖，脈沖寬度為2 μs。結果顯示，4 條支路驅動電流未發生串擾現象，驅動性能良好。

3.2 驅動電流線性度

由于研制的驅動電源核心部分為壓控恒流源模塊，其驅動電流與輸入電壓成線性關系。為了對驅動電源線性度進行分析，實驗采用調節壓控恒流源輸入電壓，測量QCL 驅動電流值。通過實驗測量離散數據進行線性擬合，得到二者關系曲線如圖7 所示。

圖7 驅動電源系統線性度實驗曲線

實驗中，輸入電壓幅值范圍從0 V 至9 V，驅動電流幅值范圍為0 A 至3 A，對離散數據進行線性擬合，二者成線性關系，線性度達到99.97%。同時，預設電流目標值與驅動電流實際輸出值的最大偏差為0.873 mA，相對偏差僅為0.04%。

3.3 驅動電流穩定度

為了驗證研制的驅動電源對不同阻抗負載的驅動能力，采用與中紅外QCL 激光器特性一致的假負載(阻值范圍為1 Ω～10 Ω)作為被驅動對象。設置目標驅動電流為2 A，對驅動電源驅動特性進行了測試，結果如圖8 所示。

圖8 假負載測試結果

實驗結果顯示，對于驅動不同阻值的假負載(1 Ω～10 Ω)，驅動電流波動范圍小，驅動電流均值(期望)為2.000 435 A，與均值偏差最大的驅動電流值為2.000 439 A，驅動電流穩定度可達到4×10-5。

3.4 陣列QCL 發光光譜測試

為了驗證研制的多支路QCL 驅動電源在實際應用中的可行性，采用4 支中紅外QCL 激光器作為被驅動對象(4.8 μm、7.49 μm、7.71 μm、10.7 μm)，進行了驅動測試。采用傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Scientific Nicolet iS10)對其激射光譜進行測量，結果圖9 所示。

圖9 四路QCL 發光光譜圖

實驗表明，4 支中紅外QCL 激光器在一定工作溫度下，各自能夠激射出各自所在中心波長的光譜。并且4 個支路之間沒有交叉影響，各紅外QCL 激光器均能正常工作，證明研制的驅動電源實際應用可行性。

3.5 除銹清洗試驗

圖10 所示為激光清洗系統示意圖，包括激光器驅動電源、中心波長為10.7 μm 的QCL 激光器、紅外激光專用的光束調整傳輸單元(包括擴束系統、振鏡掃描系統和掃描聚焦系統)、監測保護裝置以及位移平臺單元。

激光清洗過程如圖11 所示。利用研制的激光器電源驅動10.7 μm 的QCL 激光器對鍍鋅鋼材料的腐蝕層進行照射。待照射一段時間后，腐蝕層會發生氣化分解，最終將腐蝕層從基底鍍鋅鋼材料剝離，達到清洗效果。

圖10 激光清洗系統

圖11 激光清洗過程

鍍鋅鋼材料清洗效果如圖12 所示。

圖12 鍍鋅鋼材料清洗效果

當激光功率較小時，樣件清洗前后沒有明顯變化，因為激光功率較小，單位脈沖能量密度較低，使得激光束掃在樣件材料表面的溫度太低，不能對腐蝕物造成影響。當激光功率繼續增大到6 W 時，樣件表面開始出現融化痕跡，污染物開始有效去除，在基體表面留下微細的激光劃痕。

4 結束語

針對激光清洗技術，提出激光器驅動電源應具備驅動多支激光器能力的需求。采用時分復用控制技術，研制了一種新型多支路微秒級激光器驅動電源。通過性能測試實驗表明，驅動電流線性度優于99.97%，長期穩定度優于4×10-5，具備驅動4 種不同波長的中紅外量子級聯激光器的能力。最后，利用其對腐蝕的鍍鋅鋼材料進行清洗測試，基本達到除銹的效果，驗證其在實際應用的可行性。