一种用于3D打印的激光电源设计

刘玉龙

摘  要：该文设计了基于3D打印技术的激光二极管驱动电源。首先研究激光二极管对驱动电源的要求及技术指标，了解激光二极管的V-I特性。针对激光二极管对驱动电源的要求，设计了基于Buck电路的驱动电源。在控制方面，运用了预充电技术，使驱动电源在启动时电流上升沿时间比较短;关断时电流下降沿时间比较短，满足了激光二极管的需要。

关键词：3D打印技术;激光二极管;预充电技术;上升沿

中图分类号：TN248                文献标志码：A

0 引言

随着社会的发展，3D打印的应用也越来越广泛。在一些结构复杂且体积较小的一些物体中，3D打印表现出了明显的应用优势。而随着3D打印技术的越发成熟，其应用的领域也逐渐拓宽，对其前级的激光二极管的驱动电源的要求也越来越高。激光二极管要求驱动电源既能工作在连续电流模式，又能工作在调制模式。该文主要针对激光二极管的特殊要求，在Buck电路的基礎上，后级又加入了一只MOSFET，并运用了预充电技术，满足了激光二极管的要求。

1 激光二极管对驱动电源的基本要求

激光二极管在实际工作时，要求既能工作在连续模式，又能工作在调制模式下。其对驱动电源的有以下4点要求。

（1）10A/36V，驱动电源要满足输出电流10 A，实际工作状态电压为自适应。电流2 A～10 A（20%～100%）连续可调，电压25 V～36 V自适应。另外，鉴于LD个体之间的差异，电压最大值需要具备调至40 V的能力。

（2）调制频率：驱动电源要满足常规5 kHz的输出。

（3）输出电流在启动时上升沿小于20 μs，关断时下降沿小于15 μs。且超调要小于1%。

（4）输出电流纹波有效值小于150 mA。

2 激光二极管驱动电源的设计

2.1 激光二极管驱动电源的主电路设计

激光功率是激光二极管的驱动电路要稳定控制最重要的物理量，通过调节激光二极管的驱动电流的大小，精确控制激光二极管的发射光功率。DC/DC变化器是将不可控的直流输入变为可控的直流输出，其中，Buck电路是最有代表性的拓扑之一，其广泛应用于可调直流开关电源中。激光二极管驱动电源主电路在BUCK电路的基础上，在输出侧增加一个MOS管，并在原来的输出端并联一个假负载（电阻）。

2.2 激光二极管驱动电源的控制方法

为了满足输出电流稳定且纹波较小，Buck电路的输出端并联有很大的滤波电容，所以输出电流在电路启动时很难做到上升沿小于20 μs，关断时下降沿小于15 μs。所以，在Buck电路的基础上，在输出侧增加了一个MOS管，并在滤波电容上并联假负载（电阻）。假负载（电阻）的作用是减弱了输出电压的非线性化（非线性化指的是输出电压与Buck电路MOS管的占空比大小是不成比例的）。假负载（电阻）的大小要根据实际试验而定，如果太大，输出电压的非线性化还是比较明显，如果太小，又会增加电源的损耗。

（1）当电路工作在连续的工作模式时，先给Buck电路预充电，预充电的电压要根据激光二极管的V-I曲线来定。假设指令电流为I1，此时对应的V-I曲线电压为V1，此时预充电的电压就为V1，V1可以通过调节Buck电路MOS管的占空比大小来实现。当Buck电路输出侧的电压达到V1后再打开后增加的MOS管，这样可实现输出电流在启动的时候快速达到设定的指令电流值的大小，从而满足上升沿小于20 μs，关断的时候先关断增加的MOS管，然后再关断Buck电路的MOS管的要求。

（2）当电路工作在调制模式时，设定电流的指令值，也要根据激光二极管的V-I曲线对应的实际电压值先给Buck电路预充电，然后根据调制频率和占空比来控制后增加的MOS管即可。

（3）为了满足输出电流的稳定度，输出电流采样选用LEM：LAH25-P，并经过A/D转换，滤波电路，然后把信号送入CPU。由于LEM采样精度比较高，这样能保证输出电流的精度，从而能精确地控制激光器光功率的输出大小。

（4）实际工作中要对激光二极管的温度进行实时监测，避免其温度过高而烧坏。当激光二极管温度过高时（设定一个阈值），CPU要及时地给出指令，封锁MOS管的驱动信号，停止电路运行。

3 设计结果测试

测试用的示波器是泰克数字示波器DPO-4034，其带宽达到了350 MHz，电流探头用泰克的电流探头，分别测试了电路在电流连续和调制情况下的输出电流波形，具体情况如下所示。

（1）当电路工作在连续模式、满载、电路启动时，输出电流波形如图1所示。可见输出电流在启动时上升沿小于20 μs，且没有超调。

（2）当电路工作在连续模式、满载、电路停止运行时，输出电流波形如图2所示。可见输出电流在启动时下降沿小于15 μs。

（3）当电路工作在调制模式时，调试频率5 kHz，占空比50%，满载时，输出电流波形如图3所示。

（4）满载时，输出电流纹波有效值实测为6.62 mA。电流纹波有效值大小满足小于150 mA的要求。

以上的测试结果表明，驱动电源在实际工作时，性能稳定，可靠性高，能够满足激光二极管的实际工作需求。

4 结语

该文根据激光二极管的特性需求，设计了一种激光二极管驱动电源。该电路既能工作在连续电流模式，又能工作在调制模式，电压在一定范围内自适应输出，满足3D打印用激光二极管的特殊要求，。在Buck电路的基础上，在输出侧增加了一只MOS管，经过试验验证，驱动电源输出稳定可靠，能够满足激光二极管的需求。该驱动电源体积小、纹波小、性能好，在激光二极管实际应用中具有一定的参考价值。

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