大功率光纖激光器恒流驅動電源設計分析

摘""要：光纖激光器作為第三代激光技術的代表，與傳統固體激光器相比，具有結構簡單、轉換效率高等優點。其中恒流驅動電源作為光纖激光器中的重要組成部分，對光纖激光器提供充足電源起到關鍵性作用，能有效改善傳統線性電源能量消耗大的問題，提升對能源的使用效率。基于此，主要對大功率光纖激光器恒流驅動電源設計進行分析研究，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：大功率""光纖激光器""恒流驅動電源""設計分析

中圖分類號：TN248

Analysis"of"the"Design"of"the"Constant-Current"Driving"Power"Supply"for"High-Power"Fiber"Lasers

YANG"Pilong

AVIC"Manufacturing"Technology"Institute，"Beijing，"100024"China

Abstract："A"fiber"laser，"as"a"representative"of"the"third-generation"laser"technology，"has"the"advantages"of"the"simple"structure"and"high"conversion"efficiency"compared"to"traditional"solid-state"lasers."The"constant-current"driving"power"supply，"as"an"important"component"of"fiber"lasers，"plays"a"crucial"role"in"providing"sufficient"power"for"fiber"lasers，"which"can"effectively"improve"the"problem"of"the"high"energy"consumption"of"traditional"linear"power"supplies"and"enhance"the"use"efficiency"of"energy."Based"on"this，"this"article"mainly"analyzes"and"studies"the"design"of"the"constant-currentnbsp;driving"power"supply"for"high-power"fiber"lasers，"in"order"to"provide"reference"for"relevant"personnel.

Key"Words："High"power;"Fiber"laser;"Constant-current"driving"power"supply；Design"analysis

隨著光纖激光器技術的不斷發展和應用領域的擴大，對于高功率光纖激光器驅動電源的需求也越來越迫切。恒流驅動電源作為一種重要的供電方式，能夠提供穩定且精確的電流輸出，對光纖激光器的性能和穩定性具有關鍵影響。本文旨在設計一種高效、可靠且精密的大功率光纖激光器恒流驅動電源系統，以滿足現代光纖激光器系統對電源質量和性能的要求。最終推動光纖激光器技術在各個應用領域的進一步應用和發展。

1"光纖激光器結構與工作原理分析

在光纖激光器的結構中，光纖芯是光纖激光器的核心部分，通常由具有特定折射率的材料制成，將活性離子或摻雜物被引入光纖芯中，以增加激光的放大效果，而泵浦光源主要是能夠提供多個能量，激發光纖中的活性離子或摻雜物，通常泵浦光源通常為半導體激光器、二極管激光器或強光脈沖等，當泵浦光源的能量傳遞到光纖芯中，使其處于激發狀態。在反射器中，通常光纖激光器使用兩個反射鏡來形成激光諧振腔，其中第一個反射鏡是完全反射鏡，第二個反射鏡是部分透射鏡，這種結構使得激光在光纖中來回反射，形成諧振腔，并最終通過部分透射鏡從激光器輸出，在輸出耦合方面，部分透射鏡用于耦合或控制輸出的激光功率[1]。通過調整透射鏡的反射率和方向，可以控制輸出激光的強度和方向性。

2"大功率光纖激光器恒流驅動電源設計分析

2.1主功率電路分析設計

2.1.1電源電路拓撲設計

該部分設計需要選擇適當的電路拓撲結構以實現高效、穩定的恒流驅動。常見的電源電路拓撲包括開環和閉環結構等。

在開環結構中，主要使用開關模式電源，如開關電源或諧振變換器，提供高效的轉換效率和穩定的輸出電流，但對于噪聲和干擾敏感，并且需要精確地控制電路來實現恒流輸出。閉環結構采用反饋控制回路，其中恒流控制器通過感知輸出電流并與參考信號比較，調整開關電源或諧振變換器的工作狀態。閉環拓撲通常具有更好的穩定性和抗干擾能力，可實現更精確的恒流輸出。此外，還需考慮濾波電路以減小輸入和輸出的電噪聲，保護電源和附近的電子元件。同時合適的元件選擇（如電感、電容和開關元件）以及適當的參數計算也是必要的，以確保電路的高效運行和穩定性[3]。

2.1.2半橋LLC諧振變換器設計

半橋LLC諧振變換器在光纖激光器電源的主功率電路中扮演著重要的角色，半橋LLC諧振變換器在結合半橋拓撲和LLC諧振特性的基礎上，能夠提供高效率和高功率密度的電源轉換解決方案。在光纖激光器恒流驅動電源設計中，半橋LLC諧振變換器被廣泛應用，以實現穩定的恒流輸出。

在設計半橋LLC諧振變換器時，需要考慮以下幾個關鍵因素。

在進行頻率選擇的過程中，通常選擇合適的諧振頻率對于電路的性能至關重要。通常，選擇高頻率可以減小變壓器尺寸和電感器的值，同時也會增加開關損耗和電容元件的要求。需要綜合考慮電路的效率和成本進行選擇。在變壓器設計當中，變壓器是半橋LLC諧振變換器中的關鍵組件，設計時需要考慮輸入電壓范圍、輸出功率需求和諧振頻率等因素，然后合理選擇磁芯材料、匝數比和線徑以及工作模式（如全橋或半橋）等，可以實現高效能轉換和減小功率損耗。例如在變壓器設計中，磁芯參數設計比較關鍵，以PQ5050磁芯相關參數為例，具體參數設計如表1所示。

2.2""電源系統實現設計

2.2.1""數據采集模塊硬件設計

該模塊的主要功能是實時監測激光器的電流輸出，將采集到的數據傳輸給控制系統進行反饋調節。

在硬件設計方面，數據采集模塊通常包括以下幾個關鍵組件。

第一，在傳感器選擇方面，選擇適合大功率激光器電流測量的傳感器，如霍爾效應傳感器或電流互感器。確保能夠以高精度和快速的方式檢測激光器的輸出電流。第二，在信號調理電路設計中，將采集到的傳感器信號需要經過放大、濾波和線性化等處理，以確保準確性和可靠性。信號調理電路可以通過運算放大器、濾波器和線性化電路等元件來實現。第三，在ADC轉換器設置方面，將模擬信號轉換為數字信號是數據采集過程的關鍵步驟。ADC轉換器將經過信號調理的模擬信號轉換為數字形式，以便于后續處理和傳輸[4]。

2.2.2""主控制模塊硬件設計

主控制模塊硬件設計通常是負責監測和控制輸出電流，確保光纖激光器能夠平穩運行，在具體設計的過程中，首先，要求主控制模塊硬件選擇適當的控制芯片或微控制器作為主控制單元，芯片要求能夠具備高速計算能力和豐富的接口功能，以滿足恒流驅動的需求。其次，設計合適的電流檢測電路，用于實時監測光纖激光器的輸出電流。通常使用電流傳感器或電阻來測量電流值，并將其反饋給控制芯片。然后，配備一個精確的參考電壓源，用于提供穩定的基準電壓。從而通過穩壓器電路或者放大器電路來實現，確保恒流驅動的準確性和穩定性[5]。

2.2.3""驅動器電源軟件設計

驅動器電源軟件設計一般是通過恒流控制算法的開發和實現，該算法通過監測激光器電流，與設定的目標電流進行比較，以調整電源輸出來保持恒流驅動。常見的恒流控制算法有PID控制、模糊控制等。然后需要實時采集并處理激光器電流、溫度等關鍵參數數據。通過合適的傳感器和數據采集模塊，將數據傳輸給軟件進行實時監測和處理，以便及時調整電源輸出并保持恒流驅動。另外在軟件設計的過程中應考慮到激光器的保護機制。當激光器出現過流、過溫或其他異常情況時，軟件應具備相應的保護功能，及時停止驅動電源輸出，以避免對激光器造成損害。

2.3""散熱系統設計

2.3.1""功率損耗計算

在大功率光纖激光器恒流驅動電源設計中，散熱系統的設計有著重要影響，以確保電源和激光器能夠穩定運行并避免過熱。為了正確設計散熱系統，需要進行功率損耗計算來確定所需的散熱能力。

首先，需要確定激光器的工作電流和電源的效率。根據光纖激光器的規格和廠商提供的數據，確定好激光器的額定工作電流。然后，通過查閱相應的電源規格表或聯系廠商獲取電源的效率數據計算激光器和電源的功率損耗，激光器的功率損耗可以通過將工作電流乘以激光器的電壓降得到。例如：如果激光器的工作電流為10"A，電壓降為2"V，則功率損耗為其中A表示電流，V表示電壓。

電源的功率損耗可以通過將輸入功率乘以（1-效率）來計算。假設電源的輸入功率為100"W，效率為90％，則電源的功率損耗為其中W表示電損功率。確定了激光器和電源的功率損耗后，可以計算散熱系統所需的散熱能力。散熱能力通常以熱阻的形式表示，該參數描述了每瓦特功率損耗導致的溫度升高。假設散熱器的熱阻為0.5"℃/W，根據激光器和電源的功率損耗計算結果，激光器將導致溫度升高10"℃，而電源將導致溫度升高5"℃。最后，需要確保散熱系統的設計能夠將這些溫度升高有效地分散和降低。比如選擇合適的散熱器類型、散熱片尺寸和材料，以及優化風道和風扇配置等措施[6]。

2.3.2""電源系統散熱仿真

在大功率光纖激光器恒流驅動電源設計中，電源系統的散熱是一個關鍵問題。高功率激光器產生的熱量需要快速散發出去，以確保整個電源系統的穩定性和可靠性。進行散熱仿真前需要確定電源系統的散熱需求。通過計算或者實驗來獲得激光器工作時的最大功耗和溫升，并確定需要散熱的熱量。其次，選擇合適的散熱器和散熱方式。常見的散熱器包括風扇散熱器、散熱片和熱管等。選擇散熱器要考慮到其散熱性能、體積和成本等因素，需要選擇合適的散熱方式，如自然對流散熱或強制對流散熱。然后，進行散熱系統的布局和設計。在電源系統的設計中，應合理安排散熱器的位置和布局，以確保熱量能夠有效地傳導和排出。同時，還需要注意電路板的布局，避免熱量集中在某些區域，影響整個系統的散熱效果。

3""結語

綜上所述，本文在分析光纖激光器具體結構的基礎上，對激光器驅動電源設計要點進行分析研究，通過對設計要點的實施，能夠進一步提高對光纖激光器的穩定性與可靠性，提高電源的輸出功率和效率。為此需要不斷提高重視，加強技術創新，最終促進激光器領域的可持續性發展。

參考文獻

[1]于秋馳.高功率光纖激光器恒流驅動電源一體化設計[D].鄭州：鄭州大學，2022.

[2]蔣明淵.基于Yb：YAG晶體衍生光纖的單頻激光器的設計與研究[D].濟南：山東大學，2021.

[3]王錦榮，吳雙娥，邱炎兒，等.高穩定大功率半導體激光器驅動電源的研究[J].應用激光，2023，43（8）：170-175.

[4]趙軍峰，馮斌，王浩圣.高性能半導體激光器電源系統設計與研究[J/OL].應用激光：1-12[2024-01-03].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1375.T.20230423.2204.002.html.

[5]羅海玲，方宇杰，盛一成，等.大功率高頻脈沖LD驅動電源設計[J].自動化應用，2021（3）：105-108.

[6]吳嘉文，齊雨，吳新科.航天用高效率半導體激光器驅動電源[J].上海航天（中英文），2020，37（2）：81-87.