雷射器電源輔助供電電路的製作方法
2023-09-12 21:03:45
專利名稱：雷射器電源輔助供電電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射器電源領域，尤其涉及一種雷射器電源輔助供電電路。
背景技術：
全固態雷射器是20世紀80年代末期出現的新型雷射器，它具有體積小、重量輕、效率高、性能穩定、可靠性好、壽命長、光束質量高等優點，市場需求十分巨大。雷射器電源技術屬於雷射技術的核心部分，雷射器的工作穩定性和壽命與其使用的驅動電源有直接關係。目前大功率電源多採用開關電源技術，常見的大功率開關電源基 本都是針對於特定應用所設計的，如焊接電源、電鍍電源、工業老化電源等，每一種特定應用都會對電源的控制功能和輸出特性提出不同的要求，所以並不能簡單得將市場上的大功率開關電源拿來作為全固態雷射器的驅動電源來使用。目前常見的雷射器電源主要有連續和脈衝兩種工作方式。全固態雷射器的驅動電源為恆流連續電源，但是又與燈泵浦源雷射器的連續驅動電源有所不同，後者由於工作介質的不同，需要設計高壓引燃電路，而且兩者在電源控制及參數要求等方面也不盡相同。全固態雷射器的負載特性類似於二極體，為了保證雷射器負載能夠安全穩定的工作，需要滿足以下條件(I)全固態雷射器都需要由水冷機來為其進行冷卻，如果開機以前忘記打開水冷機或者在工作過程中水冷機發生故障，將會給雷射器帶來毀滅性的損壞，所以全固態雷射器必須具有水冷機流量保護功能；(2)必須保證電流是從零起調的，如果開機瞬間就有大電流加到雷射器上，很容易對雷射器造成損壞；(3)必須保證雷射器的初始加電速度要慢，對於開關電源來說，大佔空比會產生浪湧電流和輸出電壓過衝，容易損壞開關器件，而更嚴重的是損壞雷射器負載，因此全固態雷射器的驅動電源必須具有較長的軟啟動時間，目前常見的電源控制晶片都集成了軟啟動功能，只需在晶片的軟啟動引腳上連接一個電容，就可以實現電源的軟啟動功能。但是這種軟啟動功能是在電源通電的瞬間就開始對軟啟動電容進行充電，同時緩慢建立輸出電壓，但是雷射器的驅動電源一般要求電流從零起調，而何時輸出電流是由手動或外部控制信號決定的，很多情況下並不一定與電源通電同步，也就是說電源實際輸出電流的時間和電源通電的時間並不是一致的，且它們之間的時間差是不固定的，這樣，如果按照一般開關電源的軟啟動電路設計，當打開電源開關時，軟啟動電路就開始工作，那麼當電源需要輸出電流的時候，軟啟動過程也許已經結束，這時的電源實際上與沒有軟啟動電路的效果是一樣的。因此，全固態雷射器電源必須設計成軟啟動過程是從電源開始輸出電流而不是電源通電時開始。
發明內容
(一 )要解決的技術問題
為解決上述的一個或多個問題，本發明提供了一種雷射器電源輔助供電電路。(二)技術方案根據本發明的一個方面，提供了一種雷射器電源輔助供電電路，包括第一級連接電路，用於在雷射器電源接好輸入電壓，且打開總開關時，直接連通總輔助供電電源和第一級供電系統；第二級連接電路，用於在第一級連接電路連通，並且雷射器中水冷機工作狀態正常的情況下，連通第二級供電系統與第一級供電系統；第三級連接電路，用於在第二級連接電路連通，並且雷射器電源處於「啟動」狀態時，連通第三級供電系統與第二級供電系統；第四級連接電路，用於在第三級連接電路開啟，並且電流給定值大於零的情況下，連通第四級供電系統與第三級供電系統，使雷射器電源開始軟啟動過程，按照電流設定值輸出驅動電流。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明雷射器電源輔助供電電路具有以下有益效果 (I)由於在設計中，必須要滿足水冷機正常工作的前提，才能使二級供電得到所需電壓，所以避免了由於水冷機故障而導致的雷射器損壞的情況，大大提高了雷射器使用過程中的安全性；(2)由於採用了兩級顯示電路，在電源加電以前就可以對電流設定值的大小進行顯示，從而可以確保雷射器負載的初始驅動電流為零；(2)必須要滿足電流設定值大於零才能使核心控制晶片得到供電電壓，所以可以保證軟啟動過程是從電源開始輸出電流而不是通電瞬間開始的，這樣就可以保證雷射器負載上的初始電流是緩慢加上的。
圖I為根據本發明實施例雷射器電源輔助供電電路的示意圖；圖2為根據本發明實施例雷射器電源輔助供電電路中第一級供電系統與第二級供電系統間第二級連接電路的電路圖；圖3為本發明實施例雷射器電源輔助供電電路中第二級供電系統與第三級供電系統間第三級連接電路的電路圖；圖4為本發明實施例雷射器電源輔助供電電路中第三級供電系統與第四級供電系統間間第四級連接電路的電路具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種雷射器電源輔助供電電路。如圖I所示，該雷射器電源輔助供電電路包括級聯的四級連接電路，包括第一級連接電路、第二級連接電路、第三級連接電路和第四級連接電路。其中第一級連接電路，用於在雷射器電源接好輸入電壓，且打開總開關時，連通總電源和第一級供電系統，該第一級供電系統的供電範圍包括電流、電壓顯示電路，保護電路以及輸出電流反饋電路。
第二級連接電路，用於在第一級連接電路連通，並且雷射器中水冷機工作狀態正常的情況下，連通第二級供電系統與第一級供電系統，其中該第二級供電系統為雷射器電源的「啟動/停止」電路供電。第三級連接電路，用於在第二級連接電路連通，並且雷射器電源處於「啟動」狀態時，連通第三級供電系統與第二級供電系統，其中，該第三級供電系統為除了核心控制晶片及第一、第二級供電系統供電範圍以外的其餘控制電路供電。第四級連接電路，用於在第三級連接電路開啟，並且電流給定值大於零的情況下，連通第四級供電系統與第三級供電系統，使雷射器電源開始軟啟動過程，按照電流給定值輸出驅動電流，其中，該第四級連接電路為核心控制晶片供電。以下分別對上述的第一級連接電路、第二級連接電路、第三級連接電路和第四級連接電路的工作過程進行詳細說明。第一級連接電路，在電源接好輸入電壓，且打開總開關後，直接連通總電源和第一·級供電系統。該第一級供電系統的供電範圍包括電流、電壓顯示電路、保護電路以及輸出電流反饋電路。第二級連接電路，介於第一級供電系統和第二級供電系統之間。第二級供電系統用於為雷射器電源的「啟動/停止」電路供電，其是否與第一級供電系統連通，取決於水冷機的工作狀態。如果水冷機正常工作，則第二級供電系統與第一級供電系統連通，從第一級供電系統得到所需電壓。圖2為本發明實施例雷射器電源輔助供電電路中第二級連接電路的電路圖。如圖2所示，該第二級連接電路包括場效應管Q1，其可以為MOSFET，其漏極通過第三電阻R3連接至第二級輸出埠，其源極連接至地GND，其柵極通過第四電阻R4連接至其源極；水冷機流量開關SI，其一端連接至第一級連接電路的輸入，另一端通過第二電阻R2連接至第一場效應電晶體的柵極，其控制端連接至水冷機；紅光二極體，其正向端連接至地GND，其反向端連接至場效應管的漏極；綠光二極體，其正向端連接至地GND，其反向段通過第一電阻Rl連接至水冷機流量開關的輸出端。至此，第一級連接電路與第二級連接電路的連接結構介紹完畢。本領域的技術人員應當清楚，設置紅光二極體和綠光二極體是為了方便的觀察的狀態，其並不是本實施例所必須的，也可以不需要該兩個二極體，此處不再給相應的附圖。第三級連接電路，介於第二級供電系統和第三級供電系統之間。第三級供電系統的供電範圍為除了核心控制晶片以及第一、二級供電系統供電範圍以外的其餘控制電路。第三級連接電路是否連通取決於電源的工作狀態。圖3為本發明實施例雷射器電源輔助供電電路中第三級連接電路的電路圖。如圖3所示，該第三級連接電路包括雙穩態觸發電路，其觸發端接外部非自鎖「啟/停」輕觸開關SI，輸出端的「高/低」電平兩個狀態作為判斷電源處於「啟動」或「停止」狀態的依據。可以將集成電路NE555P接成雙穩態振蕩電路形式，其第6管腳分別通過第五電阻R5接二級供電，分別通過第六電阻R6和第一電容Cl接地GND ;其第4管腳和第8管腳接高電平，其第I管腳接地，其第2管腳與第6管腳直接相連；三極體Q2，可以是NPN型三極體8050，其基極通過第九電阻R9接Q3的集電極，發射極接地GND ;三極體Q3，可以是NPN型三極體8050，其基極通過第八電阻R8接到NE555P的第3管腳上，發射極接地GND，集電極通過第十電阻RlO接二級供電；繼電器K1，其一端接到三極體Q2的集電極，另一端接高電平，具有兩組觸點，其中一個觸點公共端接電流顯示錶，與其對應常閉端接電流設定值信號，常開端接實際電流值信號；另一個觸點的公共端接二級供電，與其對應的常閉端空置，常開端接三級供電；該兩級電流顯示電路，在電源處於「停止」狀態時，電流顯示錶顯示的是給定電流值，此時如果發現電流給定值不為零，可以通過電流給定調節電路，將電流給定值降到零，從而保證雷射器負載的初始驅動電流為零。電源的「啟動」和「停止」工作狀態轉換開關SI，本實施例選擇了非自鎖輕觸開關，其中一個引腳通過第四電阻R4接到NE555P的第3管腳上，另一個引腳直接接到NE555P的第6管腳上。至此，第三級連接電路的連接結構介紹完畢。第四級連接電路，介於第三級供電系 統和第四級供電系統之間。第四級供電系統用於為核心控制晶片供電。第四級連接電路是否連通取決於電源的電流設定值，如果設定值大於零，則四級供電與三級供電連通。同時開始雷射器電源的軟啟動過程，並按照電流給定值輸出驅動電流。反之，核心控制晶片無供電，電源沒有輸出電流。圖4為本發明實施例雷射器電源輔助供電電路第四級連接電路的電路圖。如圖4所示，該第四級連接電路包括核心控制晶片U2SG3526，其第4管腳通過第四電容C4接地GND，該第四電容C4為軟啟動電容，第17管腳為晶片供電端，接到繼電器K2線圈的一端；比較器U3，可以選擇常用的比較器LM393，其反向輸入端第2管腳通過第十二電阻R12接地GND，通過第i^一電阻Rll接三級供電，其正向輸入端第3管腳接電流設定調節電位器，其輸出端第I管腳通過第十三電阻R13接三級供電，通過第十四電阻R14接MOSFETQ4的G極；繼電器K2，其線圈的兩端分別接三級供電和MOSFET Q4的D極，常開觸點分別接三級供電和四級供電，即SG3526的第17管腳供電端。至此，第三級供電系統與第四級供電系統的連接結構介紹完畢。由此可見，雷射器電源輸出驅動電流必須滿足三個條件，一是水冷機的流量滿足設定要求，二是電源處於「啟動」狀態，三是電流給定值大於零。下面以一個完整的開機流程來介紹本驅動電源的具體實施方式
。當將交流供電接入到電源上且打開電源開關後，輔助電源便開始工作，即一級輔助供電得到電壓，為電流、電壓顯示電路、保護電路以及輸出電流反饋電路供電，此時電源處於「停止」狀態，如圖3所示，繼電器Kl的常閉端閉合，電流顯示錶與電流設定值接通，顯示的是電流的設定值，此時可以檢查電流設定值是否為零，如不為零，則可以通過電流給定值調節電路將電流給定值調為零，以確保電源輸出電流從零起調。目前市場上所售的水冷機，都會外接一個流量保護開關接口，該接口通常是繼電器的常開觸點，其開合狀態受水冷機中是否有冷卻水循環通過所控制，當水冷機正常工作即水流通路中有冷卻水流過時，該接口閉合，反之該接口斷開。如圖2所示，SI為水冷機的流量保護開關，如果雷射器的水冷機工作正常，則SI閉合，二級供電與一級供電連通，二級輔助供電開始為「啟動/停止」電路供電，此時，MOSFET Ql的G極為高電平，處於導通狀態，將Ql的D極電位箝位到低電平，綠色二極體發光，紅色二極體滅，表示水冷機工作正常；反之，如果水冷機的流量沒有達到設定值，則SI處於斷開狀態，二級供電得不到供電電壓，電源的「啟動/停止」電路也無法工作，電源也就無法啟動，此時，MOSFET的G極為低電平，Ql截至，則紅色二極體發光二綠色二極體滅，表示水冷機工作異常。如果水冷機工作正常，則可進行下一步操作。見圖3，將U1NE555P接成雙穩態觸發電路，其輸出端第3管腳作為一 NPN三極體Q3的驅動信號，由NE555P的電路特性及其第6管腳外接的RC電路可得，在每次初始加電的情況下，NE555P都會保持輸出端為高電平，因此Q3導通，其C管腳的電平被拉低為低電平，則NPN型二極體Q2的B管腳也為低電平，Q2不導通，即繼電器Kl線圈沒有通電，此時，繼電器Kl的公共端觸點與常閉端連接，這時處於驅動電源的「停止」狀態，三級輔助供電沒有與二級輔助供電相連接，電流顯示錶顯示的是設定電流值，通過此時的電流表顯示值，可以確定是否將電流給定值設定為零。當按下輕觸開關SI之後，NE555P會將輸出端翻轉為低電平，Q3關斷，其C管腳的電壓由二級供電電壓拉高,則Q2的B管腳電壓也變化為高電平，Q2導通，此時繼電器Kl的線圈通電，其公共端觸點與常開觸點連接，此時，顯示錶顯示的是實際的工作電流，三級輔助供電與二級輔助供電連接，三級輔助供電開始為除了核心控制晶片及一、二級輔助電源供電範圍之外的其他·控制電路供電。此時電源仍然沒有輸出，因為核心控制晶片SG3526並沒有得到供電電壓，見圖4，此時可以加大電流給定值，當給定值增加到超過圖4中的比較器U3A的第2管腳電壓後(第2管腳為一非常小的電壓)，比較器翻轉，輸出高電平，MOSFET Q4導通，繼電器K2的線圈通電，四級供電與三級供電連通，控制晶片得到供電電壓。此時，SG3526的第4管腳所接軟啟動電容C4開始充電，PWM信號OUTA和OUTB的佔空比緩慢增加，對應的輸出電流緩慢增加，當軟啟動電容的充電電壓達到5V預設值以後，軟啟動過程結束，此時已完成電源的開機過程，電源進入正常工作狀態，可以根據實際工藝要求調整電源輸出電流。需要說明的是，上述對各元件的定義並不僅限於實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換，例如(I)圖3中由集成電路NE555P接成雙穩態振蕩電路的「啟/停」工作狀態轉換電路還可以用⑶4013雙穩態多諧振蕩器來實現等；(2)核心控制晶片SG3526還可以用TL494等其他晶片來代替。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，包括 第一級連接電路，用於在雷射器電源接好輸入電壓，且打開總開關時，直接連通總輔助供電電源和第一級供電系統； 第二級連接電路，用於在第一級連接電路連通，並且雷射器中水冷機工作狀態正常的情況下，連通第二級供電系統與第一級供電系統； 第三級連接電路，用於在第二級連接電路連通，並且雷射器電源處於「啟動」狀態時，連通第三級供電系統與第二級供電系統； 第四級連接電路，用於在第三級連接電路開啟，並且電流給定值大於零的情況下，連通第四級供電系統與第三級供電系統，使雷射器電源開始軟啟動過程，按照電流設定值輸出驅動電流。
2.根據權利要求I所述的雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，所述第一級供電系統的供電範圍包括電流、電壓顯示電路，保護電路以及輸出電流反饋電路。
3.根據權利要求I所述的雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，所述第二級供電系統為雷射器電源的「啟動/停止」電路供電，所述第二級連接電路包括 第一場效應管(Ql)，其漏極通過第三電阻(R3)連接至第一級供電系統，其源極連接至地(GND)，其柵極通過第四電阻(R4)連接至其源極； 水冷機流量開關(SI)，其一端連接至第一級連接電路的輸入，另一端通過第二電阻(R2)連接至第一場效應電晶體的柵極，其控制端連接至水冷機； 紅光二極體，其正向端連接至地(GND)，其反向端連接至第一場效應管的漏極； 綠光二極體，其正向端連接至地(GND)，其反向端通過第一電阻(Rl)連接至水冷機流量開關的輸出端。
4.根據所述權利要求3所述的雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，所述第一場效應管為金屬氧化物半導體場效應管。
5.根據權利要求I所述的雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，所述第三級供電系統為除了核心控制晶片及第一、第二級供電系統供電範圍以外的其餘控制電路供電，所述第三級連接電路包括 集成電路NE555P晶片，其第6管腳分別通過第五電阻(R5)接第二級供電系統，分別通過第六電阻(R6)和第一電容接地(GND);其第4管腳和第8管腳接第二級供電系統，其第I管腳接地，其第2管腳與第6管腳直接相連； 第二三極體(Q2)，其基極通過第九電阻(R9)接第三三極體(Q3)的集電極，發射極接地GND 第三三極體(Q3)，其基極通過第八電阻(R8)接到NE555P的三腳上，發射極接地(GND)，集電極通過第十電阻(RlO)接二級供電； 繼電器(K1)，其一端接到三極體(Q2)的集電極，另一端接高電平，具有兩組觸點，其中一個觸點公共端接電流顯示錶，與其對應常閉端接電流設定值信號，常開端接實際電流值信號；另一個觸點的公共端接二級供電，與其對應的常閉端空置，常開端接三級供電； 「啟/停」工作狀態轉換開關(S2)，其中一個引腳通過第七電阻(R7)接到集成電路NE555P晶片的第3管腳上，另一個引腳直接接到集成電路NE555P晶片的6管腳上。
6.根據權利要求5所述的雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，所述「啟/停」工作狀態轉換開關(S2)為非自鎖輕觸開關。
7.根據權利要求5所述的雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，所述第二三極體(Q2)和第三三極體(Q3)均為NPN型三極體8050。
8.根據權利要求I所述的雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，所述第四級供電系統為核心控制晶片供電，所述第四級連接電路，包括 核心控制晶片SG3526 (U2)，其4腳通過第四電容(C4)接地(GND)，該第四電容(C4)為軟啟動電容，17腳為晶片供電端，接到繼電器(K2)線圈的一端； 比較器(U3)，其反向輸入端2腳通過第十二電阻(R12)接地GND，通過第十一電阻(Rll)接三級供電，其正向輸入端3腳接電流設定調節電位器，其輸出端I管通過第十三電阻(R13)接三級供電，通過第十四電阻(R14)接第四場效應管(Q4)的G極； 繼電器(K2)，其線圈的兩端分別接三級供電和第四場效應管的D極，常開觸點分別接三級供電和四級供電，即核心控制晶片SG3526(U2)的第17管腳供電端。
9.根據權利要求8所述的雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，所述比較器U3為比較器LM393，所述第四場效應管為金屬氧化物半導體場效應管。
10.根據權利要求I至9中任一項所述的雷射器電源輔助供電電路，其特徵在於，應用於為全固態雷射器供電領域。
全文摘要
本發明提供了一種雷射器電源輔助供電電路，包括第一級連接電路，用於在雷射器電源接好輸入電壓，且打開總開關時，直接連通總輔助供電電源和第一級供電系統；第二級連接電路，用於在第一級連接電路連通，並且雷射器中水冷機工作狀態正常的情況下，連通第二級供電系統與第一級供電系統；第三級連接電路，用於在第二級連接電路連通，並且雷射器電源處於「啟動」狀態時，連通第三級供電系統與第二級供電系統；第四級連接電路，用於在第三級連接電路開啟，並且電流給定值大於零的情況下，連通第四級供電系統與第三級供電系統，使雷射器電源開始軟啟動過程，按照電流設定值輸出驅動電流。本發明同時避免了由於水冷機故障而導致的雷射器損壞的情況。
文檔編號G05F1/56GK102916332SQ201210431168
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者林學春, 吉俊文, 侯瑋, 李晉閩 申請人:中國科學院半導體研究所