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基于SG3525的新型二氧化碳激光器電源設計

1前言
SG3525在傳統的開關電源脈沖調制控制器SG2524的基礎上增加了欠壓鎖定電路、軟啟動電路、PWM鎖存圖騰柱式輸出電路。提高了控制電路的可靠性,增強了輸出的穩定性,特別適用于電源輸出精度較高的場合。在激光加工領域,激光電源的可靠性和穩定性直接影響到輸出光功率的穩定性,提出了基于新型電流控制型PWM控制器SG3525設計的二氧化碳激光電源旨,在解決當前激光加工領域中激光輸出不穩定的問題。
 
2激光電源系統結構概述
以氣體為工作物質的激光器電源系統主要由EMI濾波電路、功率變換電路、控制電路、反饋電路、保護電路以及輔助電源系統等構成。圖1展示了該激光電源的各個組成部分。
 激光電源系統結構
2.1SG3525的內部結構及工作原理
如圖2所示,RT和CT引腳分別外接定時電阻RT和定時電容CT,5腳和7腳之間接RD用于調節死區時間,振蕩頻率為:
 SG3525的內部結構示意圖
SG3525的PWM比較器有三個輸入端,同相端接定時電容CT產生鋸齒波電壓,反相端一接誤差放大器的輸出端,反相端二接軟啟動電路。當同相輸入端的鋸齒波電壓高于任何一個反向端電壓時,PWM比較器輸出高電平,置位PWM鎖存器,使輸出關斷;9腳的輸出電壓和鋸齒波電壓比較以決定PWM脈沖的占空比;8腳外接軟啟動電容,上電時,由內部恒流源給軟啟動電容充電,PWM比較器將輸出從0至最大占空比的脈沖,軟啟動完成,隨后PWM占空比由誤差放大器輸出端(9腳)控制;正常工作時,PWM比較器、振蕩器、以及外部關斷信號控制著PWM鎖存器的輸出。PWM鎖存器在每個振蕩周期被復位,使輸出級產生驅動脈沖輸出,PWM比較器根據占空比的不同對鎖存器置位,將輸出脈沖關斷,完成半個PWM周期,觸發器的輸出在每半個PWM周期翻轉一次,使脈沖交替出現在脈沖輸出端;當關斷引腳為高電平時PWM鎖存器置位,禁止SG3525輸出,實現逐個脈沖關斷;在PWM鎖存器置位期間軟啟動電容開始放電,如果該關斷高電平持續,軟啟動電容將充分放電,直至關斷信號結束重新進入軟啟動。
 
2.2SG3525構成的PWM控制電路
SG3525PWM控制電路如圖3所示,軟啟動端接對地10μF的軟啟動電容,上電過程中,由內部50μA的電流源給軟啟動電容充電,使電容的電壓線性緩慢升高,PWM比較器將輸出從零逐漸變到最大占空比的PWM脈沖,從而完成軟啟動過程,啟動后的PWM脈沖占空比由誤差放大器的輸出(9腳)電壓控制。
 pWM控制電路
2.3功率管隔離驅動電路、功率變換電路
 隔離驅動及功率變換電路
如圖4所示,本電源驅動部分采用三極管圖騰柱式脈變隔離驅動,Q1、Q2、Q3、Q4構成圖騰柱式輸出,在SG3525的PWM電平作用下三極管對Q1和Q4,Q2和Q3成對導通和截止,用于驅動變壓器,構成了功率MOS前級隔離驅動電路,一方面增加了驅動能力,另一方面,由于隔離的存在防止了MOS截止時開關應力對控制電路造成的損傷。CX1為隔直電容,RX1為限流電阻。電路的后半部分為LLC半橋諧振電路,兩個MOS管中間串接電感L2,并從L2的中心抽頭輸出電壓,提高了下級高壓包的輸出電壓。D3和C10,D4和C11為尖峰電壓抑制二極管和尖峰電壓吸收電容,有效緩解了開關管的開關應力。D1和D2用于加速MOS管導通,Q5和Q6用于加速MOS管截止,C12為EMI濾波電容。
2.4保護電路
水保護系統原理如圖5所示。關閉激光管的光功率輸出主要由SG3525控制器的第10引腳控制,當該端口為高電平時控制器的PWM輸出被禁止。保護電路由水保護以及過壓保護共同實現控制,出現無冷卻水或者出現過壓時PWM控制器的輸出都會被禁止。激光管冷卻水循環系統中內置了水壓傳感器,水保護端電信號由水壓傳感器經放大后接至單向導通二極管D14,正常工作時水冷卻系統中有循環水存在,水壓傳感器端輸出低電平,與此同時,采樣電壓經由運放LM358與輔助電源電壓分壓(閾值電壓)進行比較,當采樣電壓在閾值電壓范圍內時,運放LM38輸出低電平,此時系統處于正常工作狀態;當采樣電壓高于閾值電壓或者冷卻水循環系統中無水存在時,關閉輸出,實現自動保護。
 水保護及過壓保護電路
2.5控制電路
 
激光管中的電流大小是控制電路控制的核心對象。根據SG3525的工作原理,SG3525內部PWM比較器有3個輸入端,同相端接定時電容形成鋸齒波電壓,一個反相端接誤差放大器的輸出(9腳),另一個反相端接軟啟動電路。當同相端的鋸齒波電壓高于任何一個反相端電壓時,PWM比較器輸出高電平使輸出關斷,誤差放大器的9腳電壓與鋸齒波電壓比較,控制著PWM脈沖占空比。如圖6左半部分所示,電流互感器的電流經電阻轉換為電壓(反饋電壓),反饋電壓與外接控制信號電壓進行比較,當外接電壓大于反饋電壓(即外部通過電平調節希望增大激光管電流提高激光功率輸出),PWM控制器2腳上出現高電壓電平,通過電阻反饋給誤差放大器輸出端,從而使誤差放大器輸出端電平高于鋸齒波電壓,繼而增大了PWM輸出的占空比,增加了開關管導通時間,從而實現增大激光管電流的目的。反之,當外接電平減小時,減小了PWM占空比,減小了開關管的導通時間,從而減小激光管輸出功率。
 控制電路
3結束語
該激光電源樣機在實驗室實際使用過程中表現穩定,性能可靠,但將這款電源應用于激光加工等領域仍有一些控制方面的工作需要改進,總的來說這款電源具有一定的商業前景。
 
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