變形鏡高壓保護電路的製作方法

2023-10-18 11:10:59 3

專利名稱：：變形鏡高壓保護電路的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種高壓保護電路，尤其涉及一種對自適應光學中的核心器件變形鏡各個驅動器上的驅動電壓過載、異常等情況進行保護的高壓保護電路。
背景技術：
：一個典型的自適應光學系統框圖如圖l所示，變形鏡(DM)l是自適應光學系統中的核心部件，主雷射通過變形鏡反射到分光鏡2後大部分再被反射出去，小部分經過波前探測器(WFS)3後測量波前畸變，在波前處理機(WFC)4中進行波前復原計算和控制計算後得到的控制信號電壓經過數模轉換(DAC)5和高壓放大器(HVA)6放大，使變形鏡1產生所需的補償波前，從而實現波前誤差的實時校正。分立式壓電驅動器連續鏡面的變形鏡是目前應用最廣，技術發展最成熟的變形鏡。它通過粘在變形鏡連續薄鏡面下的若干個壓電陶瓷驅動器的伸縮，產生鏡面變形來校正波前誤差，驅動器上的電壓差越大，鏡面變形量就越大。它的發展趨勢是相同口徑下，單元數增多，動態範圍變大，極間距減小。對於這種由多個獨立驅動器組成的網狀拓撲的變形鏡，其連續鏡面受相鄰幾個驅動器的頂拉力作用而發生變形，此時，若相鄰驅動器間的相對變形量過大，甚至會導致變形鏡鏡面剪切撕裂損壞，並且，變形鏡驅動器驅動電壓過大會產生電壓擊穿而損壞驅動器，因此，需要採取一定的措施來保護變形鏡以避免損壞。根據有限元分析，變形鏡連續薄鏡面應力值與變形鏡驅動器網狀拓撲結構(例如三角形、四邊形)的相鄰驅動器外加的電壓差成正比。因此，可以通過控制外加電壓來控制變形鏡鏡面受力，從而避免變形鏡鏡面剪切損壞。為此，對變形鏡單個驅動器電壓和變形鏡相鄰驅動器電壓差實施過壓保護就能直接避免變形鏡單個驅動器過壓損壞和鏡面剪切損壞，從而實現對變形鏡全方位的保護。現有的變形鏡過壓保護網絡都是利用數字的方法限定電壓。《光電工程》2000年第3期公開了一種用可編程ASIC實現的變形鏡過壓保護網絡，該過壓保護網絡採用數字限壓的方法，由可編程ASIC與限壓器陣列實現。該過壓保護網絡對任兩個相鄰驅動器求電壓差，當電壓差大於變形鏡絕對電壓差後，對這兩個驅動器均進行降壓。而申請號為200410009040.9的中國專利"中心驅動器電壓趨零的變形鏡過壓保護調整方法"是對自適應光學系統波前處理機輸出的每幀變形鏡驅動器數字電壓進行限壓調整的一種數字過壓保護方法，其特點在於將變形鏡各驅動器看成是中心驅動器，逐次比較中心驅動器與相鄰驅動器的電壓差與變形鏡極限電壓差的關係，如果大於變形鏡極限電壓差，將調整中心驅動器的電壓，使其滿足要求。顯然，自適應光學系統剛閉環未穩定、參數錯誤引起的振蕩或大氣劇烈擾動等都可能引起的相鄰兩驅動器所加電壓差變大導致變形鏡剪切損壞，對於這些情況，以上兩種方法都能實現對它們的保護。但是，這兩種方法都有共同的缺點①因為都是在波前處理機中進行波前復原計算和控制計算後利用可編程晶片採用數字方法限壓，它通過限定數模轉換和高壓放大器的輸入電壓來限定變形鏡相鄰驅動器電壓差從而實現過壓保護，屬於間接保護，而變形鏡是靠高壓放大器產生的高壓功率信號直接驅動的，當數模轉換或高壓放大器自身故障引起的變形鏡損壞，上述兩種方法則不能實施保護；②只對相鄰驅動器電壓差實施了過壓保護，避免變形鏡鏡面的剪切損壞，而沒有對單個驅動器實施過壓保護，不能避免單個驅動器的電壓擊穿；③因為採用數字迭代的方法串接在自適應閉環系統前向支路中，會增加系統時間的滯後，從而對自適應光學系統的閉環帶來不利的相位滯後，從而導致系統閉SF.穩定裕量下降。
發明內容本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種變形鏡高壓保護電路，它能夠對變形鏡單個驅動器電壓和相鄰驅動器電壓差都實現過壓保護從而避免變形鏡單個驅動器電壓擊穿損壞和連續薄鏡面剪切損壞；不會影響系統的延時而造成自適應光學系統的控制相位滯後。它是一種全面的有效的直接的在高壓端的變形鏡保護電路。本發明解決其技術問題所採用的技術解決方案是變形鏡高壓保護電路(HVP)串聯在受保護的變形鏡(DM)和高壓放大器(HVA)之間，在高壓端進行保護，變形鏡高壓保護電路包括相鄰驅動器過壓保護網絡電路和單驅動器過壓保護網絡電路。所述的相鄰驅動器過壓保護電路採用雙向瞬態抑制器D跨接在變形鏡相鄰驅動器之間，利用瞬態抑制器D的飽和嵌位特性以實現對相鄰驅動器電壓差的嵌位從而實現變形鏡鏡面剪切損壞的保護根據多單元驅動器排布的網狀拓撲結構就可以得出相鄰驅動器的關係網絡，針對這種變形鏡驅動器的拓撲結構，就可以組成相同拓撲的相鄰驅動器過壓保護網絡電路。所述的單驅動器過壓保護網絡電路採用雙向瞬態抑制器Z連接在每個驅動器和公共極(地)之間，利用瞬態抑制器Z的飽和嵌位特性以實現對單個驅動器的電壓的嵌位從而實現對單個驅動器電壓擊穿的保護；對於變形鏡每個驅動器都如此連接之後，就可以組成這種變形鏡的單驅動器過壓保護網絡電路。本發明的工作原理是變形鏡高壓保護電路串聯在高壓放大器和受保護的變形鏡之間，實現對變形鏡最貼切的過壓保護。所述的相鄰驅動器過壓保護電路和單驅動器過壓保護電路都是利用了瞬態電壓抑制器的飽和特性以嵌位電壓從而實現過壓保護，並且利用了瞬態抑制器擁有的浪湧能力好、瞬時功率容量大、齊納電阻小、恢復時間短等優點，從而實現最瞬時的過壓保護，此時甚至能夠保護納秒級的尖峰過壓。本發明與現有技術相比具有如下優點本發明的變形鏡高壓保護電路是審聯在高壓放大器和受保護的變形鏡之間，不會影響系統的延時而造成自適應光學系統的控制相位滯後；本發明的變形鏡高壓保護電路是最直接、最全面的、高壓端的變形鏡高壓保護電路，它不僅能夠實現對變形鏡單個驅動器過壓擊穿的保護，還能夠實現對變形鏡相鄰驅動器電壓差超過限定值後引起的鏡面剪切損壞的保護。採用本發明的變形鏡高壓保護電路後，能夠實現對任意情況引起的過壓進行過壓保護，它不管是因為系統剛閉環未穩定、參數錯誤引起的振蕩過壓或大氣劇烈擾動引起的過壓，還是因為高壓放大器本身的故障引起的過壓等。圖1為典型的自適應光學系統結構框圖2為本發明對自適應光學系統核心部件變形鏡高壓保護的應用框圖；圖3為本發明變形鏡高壓保護電路組成原理示意圖；圖4為本發明組成的三角形網狀拓撲結構變形鏡高壓保護網絡示意圖；圖5為本發明組成的三角形網狀拓撲結構變形鏡高壓保護電路電氣原理圖；圖6為本發明組成的四邊形網狀拓撲結構變形鏡高壓保護網絡示意圖；圖7為三角形網狀拓撲結構的127單元變形鏡驅動器布局示意圖。具體實施例方式下面結合附圖及具體實施方式詳細介紹本發明。本發明的變形鏡高壓保護電路採用如圖2所示的連接方式，將變形鏡高壓保護電路(HVP)7串聯在受保護的變形鏡(DM)1和高壓放大器(HVA)6之間，在高壓端進行保護。本發明的變形鏡高壓保護電路組成原理示意圖如圖3所示，包括相鄰驅動器過壓保護電路和單驅動器過壓保護電路。所述的相鄰驅動器過壓保護電路採用雙向瞬態抑制器D跨接在相鄰驅動器之間，利用瞬態抑制器D的飽和嵌位特性以實現對相鄰驅動器電壓差的嵌位從而實現變形鏡鏡面剪切損壞的保護；相鄰驅動器過壓保護電路隨著受保護的變形鏡驅動器網狀拓撲結構變化而變化，並且隨連接支路增加可任意擴充。所述的單驅動器過壓保護電路採用雙向瞬態抑制器,Z、下拉到地連接在每個驅動器和公共極之間，利用瞬態抑制器Z的飽和嵌位特性以實現對單個驅動器的電壓的嵌位從而實現對單個驅動器電壓擊穿的保護。單驅動器過壓保護電路不隨受保護的變形鏡驅動器網狀拓撲結構變化而變化，並且隨單元數增加可任意擴充。實施例1以圖4所示的三角形網狀拓撲結構的高壓保護網絡電路為例詳細介紹本發明的變形鏡高壓保護電路。相鄰驅動器過壓保護電路可根據三角形網狀拓撲結構的變形鏡驅動器排布關係，在相鄰驅動器之間跨接瞬態抑制器D。可以看出，對於這種三角形網狀拓撲結構的變形鏡，其相鄰關係是對於非邊緣驅動器，每個驅動器都和6個驅動器相鄰，對於6個邊的邊緣驅動器每個驅動器都和4個驅動器相鄰，而對於6個角的邊緣驅動器每個驅動器都和3個相鄰驅動器相鄰，根據這些兩兩相鄰關係，就可以組成這種多單元的三角形網狀拓撲結構的相鄰驅動器過壓保護網絡電路。顯然，隨著變形鏡的排布關係變化，其相鄰驅動器的關係也隨之變化，相鄰驅動器過壓保護網絡電路也隨著變形鏡驅動器拓撲結構變化而變化。並且隨著變形鏡驅動器數量增加，其相鄰支路數也相應增加，則相鄰驅動器過壓保護網絡電路支路數也隨之增加。單驅動器過壓保護電路則是針對變形鏡每個獨立驅動器，利用雙向瞬態抑制器Z跨接在每個驅動器和公共極之間。由此，就可組成相應的單驅動器過壓保護網絡電路。顯然，所述的單驅動器過壓保護網絡電路只是隨著變形鏡單元數的增加而增加，並不隨變形鏡驅動器拓撲結構變化而變化。為了理論分析加入變形鏡高壓保護電路後對變形鏡起到的過壓保護作用，可以逐次將變形鏡各驅動器的相鄰的驅動器連接簡圖畫出。依此，根據基爾霍夫電流定理列出所有驅動器的方程，從而求解得到過壓保護後的電壓。對於圖4中所示組成的三角形網狀拓撲結構的高壓保護網絡電路，以中間7個驅動器為例，可以畫出其電氣原理圖如圖5所示，其中V1V7為高壓放大器輸出的高壓電壓，VrV7'為經過變形鏡高壓保護電路之後，加在變形鏡各驅動器上的電壓，電阻R1R7為高壓放大器內部輸出阻抗，它們阻值相等，設為R。這樣，根據基爾霍夫電流定理可列出中心驅動器1的方程為=叩.2]/L2+叩.3ft3+叩.叫4+6[1.5]z、5+6[1.7]^6+6[6ft7+^(1)其中；24.7表示與1號驅動器相鄰的2號7號驅動器之間的支路電流，例如"表示相鄰的2號驅動器和1號驅動器的支路電流。b矩陣表示支路的導通與否和電流方向，流出該驅動器時為正，則b矩陣只有0、-1、1的取值。設相鄰驅動器雙向瞬態抑制器D限定電壓為Vd，例如，對1號驅動器和2號驅動器的支路，則當Vl—V2〉Vd時，支路導通，電流流出中心驅動器，6[1.2]=1;當V2—Vl>Vd時，支路導通，電流流入中心驅動器，6[1.2]=—1;而當IV1—V2ISVd時，支路不導通，6[1.2]=0。對於^則表示該驅動器經雙向瞬態抑制器Z下拉到變形鏡公共極支路電流，a與b矩陣一樣表示導通與否和電流方向，流出中心驅動器時為正，則a也只有0、-1、l的取值。設定下拉到變形鏡公共極的雙向瞬態抑制器Z限定電壓為Vz,當V1>0，且V^Vz時，支路導通，電流流出中心驅動器，a=l;當V1<0，且IVl^Vz時，支路導通，電流流入中心驅動器，a=l;而當IVl^Vz時，支路不導通，a=0。並且，支路導通時，還滿足雙向瞬態抑制器D嵌位飽和特性，例如，對1號驅動器和2號驅動器的支路，當lVl—V2一Vd時，第一條支路導通，雙向瞬態抑制器D嵌位，則滿足方程-F/-r2'=6[1.2]ra(2)而當IVl^Vz時，當前驅動器單端到變形鏡公共極支路導通，也滿足雙向瞬態抑制器Z的嵌位，則滿足方程^'=^(3)由此，把每個驅動器逐一的當作中心驅動器，把與之相鄰的支路和本身驅動器經瞬態抑制器Z單端到變形鏡公共極的支路都連接起來，利用基爾霍夫電流定理則可寫出類似(1)、(2)、(3)方程的方程。對應變形鏡每個驅動器，都可以寫出該三個方程，這樣就可以寫出變形鏡驅動單元數個類似的方程，聯合起來可以求出唯一的解，即為限壓之後的加在變形鏡驅動器上的電壓。顯然，只有在當變形鏡輸入電壓異常時，保護支路才可能導通，本發明變形鏡高壓保護電路立即產生作用，電路網絡自動的遵從基爾霍夫電流定理，對電壓自動進行平衡，銷峰填谷，保證變形鏡驅動器電壓都在限定範圍內，此時，變形鏡高壓保護電路的主要作用是安全保衛，對自適應光學系統的帶寬有一定的影響，但是，一旦變形鏡輸入電壓正常時，保護支路不導通，本發明變形鏡高壓保護電路不起任何作用，對自適應光學系統沒有任何影響。由於本發明變形鏡高壓保護電路是串聯在高壓放大器和受保護的變形鏡之間，不會影響系統的延時而造成自適應光學系統的控制相位滯後。經實驗證明，本發明變形鏡高壓保護電路不但能夠對變形鏡起全面保護的作用，而且即使在起保護過程中，也不會影響自適應光學系統閉環的穩定性，其校正能力也影響比較小。實施例2以圖6所示的四邊形網狀拓撲結構變形鏡高壓保護網絡電路為例詳細介紹本發明的變形鏡高壓保護電路。相鄰驅動器過壓保護電路可根據四邊形網狀拓撲結構的變形鏡驅動器排布關係，在相鄰驅動器之間跨接瞬態抑制器D。可以看出，對於這種四邊形網狀拓撲結構的變形鏡，其相鄰關係是，對於非邊緣驅動器，每個驅動器都和4個驅動器相鄰，對於四邊的邊緣驅動器每個驅動器都和3個驅動器相鄰，而對於4個角的邊緣驅動器只和2個驅動器相鄰，根據這些兩兩相鄰關係，就可以組成這種多單元的四邊形網狀拓撲的相鄰驅動器過壓保護網絡電路。顯然，隨著變形鏡的排布關係變化，其相鄰驅動器的關係也隨之變化，相鄰驅動器過壓保護網絡電路也隨著變形鏡驅動器拓撲結構變化而變化。並且隨著變形鏡驅動器數量增加，其相鄰支路數也相應增加，則相鄰驅動器過壓保護網絡電路支路數也隨之增加。單驅動器過壓保護電路則是針對變形鏡每個獨立驅動器，利用雙向瞬態抑制器Z跨接在每個驅動器和公共極之間。由此，就可組成相應的單驅動器過壓保護網絡電路。顯然，所述的單驅動器過壓保護網絡電路只是隨著變形鏡單元數的增加而增加，並不隨變形鏡驅動器拓撲結構變化而變化。實施例3以圖7所示的127單元三角形網狀拓撲結構的變形鏡高壓保護電路網絡為例說明具體實施過程。根據鏡面應力分析，127單元變形鏡相鄰驅動器之間電壓差不能超過700V，即當相鄰驅動器電壓差大於700V時就會使鏡面產生大的變形而發生剪切拉裂損壞。對於高壓放大器輸出的電壓為一500V+500V,在系統剛閉環未穩定、參數錯誤引起振蕩、大氣劇烈擾動、高壓放大器故障等都有可能使高壓放大器輸出給相鄰驅動器的電壓差大於700V，甚至到IOOOV，如果不加限壓保護，就會發生鏡面剪切損壞。對於相鄰驅動器的過壓保護，其限壓值一般設定為雙向的600V，即Vd=600V。因此，可以選擇2個SGS-THOMSON電子公司的1.5KE300CA(額定電壓300V)的雙向瞬態抑制器串聯組成雙向瞬態抑制器D以提高嵌位電壓到Vd=600V=300V+300V，它能吸收瞬時功率1500W、幅值超過600V的浪湧電壓。由此，根據這種三角形網狀拓撲結構，在每個相鄰驅動器支路上都跨接這種雙向瞬態抑制器D，就可組成127單元的相鄰驅動器過壓保護網絡電路。根據驅動器電壓擊穿測試，127單元變形鏡單個驅動器擊穿電壓為600V左右，即當有600V以上電壓加在驅動器上時就會使驅動器電壓擊穿而損壞。對於高壓放大器(HVA)輸出的電壓為一500V+500V，為了保證高壓放大器的線性,.其供電電壓一般為650V,則在上電瞬間或者高壓放大器出現某些故障時，有可能輸出650V以上的尖峰高壓，如果不加限壓保護，有可能使驅動器電壓擊穿而損壞。對於單個驅動器的過壓保護，其限壓值一般設定為雙向的550V，即Vz=550V。因此，可以選擇SGS-THOMSON電子公司的1.5KE300CA和1.5KE250CA(額定電壓250V)的雙向瞬態抑制器串聯組成雙向瞬態抑制器Z以提高嵌位電壓到Vz=550V=300V+250V，它能吸收瞬時功率1500W、幅值超過550V的浪湧電壓。由此，在每個驅動器上都連接雙向瞬態抑制器Z到變形鏡公共極(地)，就可組成127單元的單個驅動器過壓保護網絡電路。因此，由127單元相鄰驅動器過壓保護網絡電路和127單元單驅動器過壓保護網絡電路共同組成127單元變形鏡高壓保護網絡電路。它連接在高壓放大器和127單元變形鏡之間，直接對它進行全面的過壓保護。再以127單元變形鏡中64號驅動器為例詳細介紹變形鏡高壓保護網絡是如何起到過壓保護作用的。對於127單元變形鏡64號驅動器，與它相鄰的驅動器為51號、52號、63號、65號、76號、77號共6個驅動器，由此，可以畫出其電路簡圖。因為其連接關係和圖4中的高壓保護網絡一樣，可以直接利用圖5來分析，不再另外畫圖，只是此時64號驅動器相當於圖5中的1號驅動器，51、52、65、77、76、63驅動器分別相當於圖5中的2、3、4、5、6、7號驅動器。以示例來解釋過壓保護前後的電壓變化關係。例如假設某些情況導致高壓放大器輸出電壓分別為64號驅動器電壓V64'為400V，51號驅動器電壓V51為250V，52號驅動器電壓V52為150V，63號驅動器電壓為一100V，65號驅動器電壓V65為一400V,76號驅動器電壓V76為0V，77號驅動器電壓V77為一500V。則由於V64—V51=150V<Vd=600V，51號驅動器和64號驅動器支路不導通；V64—V52=50V<Vd=600V，52號驅動器和64號驅動器支路不導通；V64—V63=500VVd=600V，瞬態抑制器D3導通，即64號驅動器和65號驅動器支路導通；V64—V76=400VVd=600V，瞬態抑制器D4導通，即64號驅動器和77號驅動器支路導通。為此，可以根據基爾霍夫電.流定理列出.方程求解得到限位後的電壓值如表1所示。表ltableseeoriginaldocumentpage10從表1中可以看出，如果不加變形鏡高壓保護電路網絡，加到變形鏡64號、65號、77號驅動器上的電壓分別為V64、V65、V77，此時，由於64號和65號兩個相鄰驅動器電壓差為V64-V65-400V—(一400V)=800V，大於相鄰驅動器極限電壓700V，64號和77號兩個相鄰驅動器電壓差為V64—V77=400V—(—500V)=900V，也大於相鄰驅動器極限電壓700V，其連續鏡面受應力大大從而導致鏡面剪切拉裂損壞。而加入變形鏡高壓保護電路網絡之後，加到變形鏡64號、65號、77號驅動器上的電壓分別為V64'、V65'、V77'，此時，V64'—V65'=233V—(—367V)=600V，V64'—V77'-233V—(一367V)=600V，均為雙向瞬態抑制器D的嵌位電壓，從而實現過壓保護，避免鏡面拉裂損壞。從表l中還可以看出，對於51號、52號、63號、76號等4個驅動器，這些支路沒有導通，其限壓前後電壓不會改變，即當輸入電壓正常時，保護電路不起任何作用。以上所述僅為本發明的實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求範圍之內。權利要求1、變形鏡高壓保護電路，其特徵在於包括相鄰驅動器過壓保護電路和單驅動器過壓保護電路，該變形鏡高壓保護電路串聯在受保護的變形鏡和高壓放大器之間工作。2、根據權利要求l所述的變形鏡高壓保護電路，其特徵在於所述的相鄰驅動器過壓保護電路採用雙向瞬態抑制器D跨接在相鄰驅動器之間，以實現對鏡面剪切損壞保護。3、根據權利要求l所述的變形鏡高壓保護電路，其特徵在於所述的單驅動器過壓保護電路採用雙向瞬態抑制器Z下拉到地連接在每個驅動器和公共極之間，以實現對單個驅動器的電壓擊穿保護。4、根據權利要求l所述的變形鏡高壓保護電路，其特徵在於所述的相鄰驅動器過壓保護電路隨著受保護的變形鏡驅動器網狀拓撲結構變化而變化，並且隨連接支路增加可任意擴充。5、根據權利要求l所述的變形鏡高壓保護電路，其特徵在於所述的單驅動器過壓保護電路不隨受保護的變形鏡驅動器網狀拓撲結構變化而變化，並且隨單元數增加可任意擴充。全文摘要變形鏡高壓保護電路，包括相鄰驅動器高壓保護電路和單驅動器高壓保護電路，相鄰驅動器高壓保護電路採用雙向瞬態抑制器D跨接在相鄰驅動器高壓輸入電極之間，以實現相鄰驅動器電壓限制從而實現對鏡面剪切損壞保護；單驅動器高壓保護電路採用雙向瞬態抑制器Z下拉到地連接在每個驅動器高壓輸入電極和公共極之間，以實現對單個驅動器的電壓擊穿保護；變形鏡高壓保護電路串聯在變形鏡與高壓放大器之間，當電壓異常時，保護網絡立即產生作用，對電壓進行自動平衡，保證驅動變形鏡的電壓在限定範圍內從而避免變形鏡單個驅動器過壓損壞和連續鏡面剪切損壞，實現對變形鏡的保護，當電壓正常時，保護網絡不起任何作用，也不影響變形鏡驅動電路的正常工作。文檔編號H02H7/20GK101527449SQ20091008152公開日2009年9月9日申請日期2009年4月10日優先權日2009年4月10日發明者凡木文,官春林,梅李,李新陽,王春鴻,王曉雲,鄔春明申請人:中國科學院光電技術研究所