电流模块交错并联的光纤激光器电源研制

摘要：提出以4路电流模块LTM4601并联的方式实现低压大电流输出的解决方案，其关键是并联模块间的均流，设计以4路交错90°的波形分别同步4路模块的波形交错技术实现。设计的独特之处在于并联电源系统输出电流母线引入电流反馈以实现输出电流值的控制。基于大电流印刷电路板(PCB)设计得到电源样机，其实验结果与设计目标基本相符。实验得到最大输出电流达到40A，电源转换效率在80％以上，并验证电源系统的过电压保护和过电流保护以及强制停机等功能。
关键词：波形交错技术；光纤激光嚣；并联电源系统；开关电源模块

    自从1960年世界第一台激光器被发明以来，激光器就开始被广泛应用于各领域，然而其庞大的体积并不适合刑侦现场等户外移动工作。激光器二极管(LD)的出现和发展，极大地缩小了激光器的体积，提高了电能输入到激光输出功率的转换效率；同时以二极管激光管列阵作为泵浦源的大功率激光器，半导体列阵泵浦固体激光器(DPSSL)和LD列阵泵浦光纤激光器也相继问世，其基本的电气特征是低压大电流。现在英国SPI公司和美国IPC公司已经有能力生产和销售高功率的光纤激光器，其体积和重量已基本满足便携或手持的要求。
    低压大电流电压调节模块(VRM)能够实现低压大电流输出，VRM或其并联方式能够实现1．5 V左右50 A及更高的电流输出，并具有满足效率高和动态响应速度快等特点，VRM或其并联主要是以微处理器作为目标负载进行设计，因此VRM并不适合直接用于驱动大功率激光二极管(L-D)及其列阵的半导体激光器或以其作为泵浦源的激光器。半导体激光器驱动电源电路还要满足输出电流恒定、纹波小和严密的保护的要求。半导体激光器电源虽然在体积、重量、可靠性和安全性有所发展，但是仍然不适合便携式或手持式激光器系统的使用要求。
    本文介绍一种便携式LD列阵泵浦光纤激光器的驱动电源的设计方案，恒流电源模块并联以实现大电流的恒流输出，采用波形交错技术同步并联模块以降低输入和输出纹波，因此减少输入和输出电容值，并且电流输出母线引入电流反馈以实现激光器输出光功率大小的控制。

1 系统方案
    半导体激光器的工作特性是低压大电流，因此采用降压(buck)拓扑。二极管工作时会产生0．4～0．8 V的正向压降，是大电流输出的主要转换器损耗；以正向压降很小的同步整流功率场效应管(SR MOSFET)代替，其15 A输出电流下正向压降只有0．1 V甚至更低，这样至少减少了75％的电源功率损耗。其工作拓扑结构如图1所示。

    单路SR-buck的输出电流值过大，转换器损耗的绝对值就很大，使得电源内部产生很大的热应力，因此会导致电源的效率急剧下降，并会降低电源连续正常工作时间。多路SR-buck并联可以分散热应力，实现高效率的大电流输出。图2是并联电源系统方案框图，以4路位相相差90°的波形来实现4路SR-buck的交错并联，此交错技术可以有效的实现输入和输出波形的纹波，降低输入和输出滤波电容值，减小电源的尺寸。电流输出母线上引入电流反馈环路，以实现负载不变条件下对于输出电流值的调控。

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    图3是基于图2的基本原理而设计的实际电路的原理图，采用凌力尔特(LT)公司的SR-buck拓扑的电流控制模块LTM4601作为并联单元，其优点是可以简单的实现可编程软启动，最大输出电压值设定和输出电流值的补偿控制。采用LT的差分放大芯片LT1620构建电流反馈回路，特有的外部控制输入端。采用LT的振荡产生芯片LTC6902实现频率编程和占空比50％的4相交错输出波形输出。

1．1 模块LTM4601简介
    LTM460l属于LT的μModule电源模块系列，其输入电压范围是4．5～20 V，输出电压在0．6～5 V可调，具有输出过压保护，电流折返保护，电流模式控制，强制停机，外部频率同步，可编程软启动等功能，适用于多模块间的并联均流工作，并采用散热和接触性能良好的小体积LGA封装。图4是电源模块LTM4601的内部原理框图，公式(1)是输出限压Vout与电阻值Rset以及并联模块个数N之间的关系，本文设定输出限压为2．5 V，则计算得到电阻Rset的取值大约是5 kΩ。

   

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2 波形交错技术
    波形交错技术可以在不增加开关频率的条件下降低输入和输出的电流纹波，具有纹波互消和相间分流的优点，因此以低开关频率实现高频输出电压纹波；同时波形交错技术可以降低输入电容的等效串联电阻(ESR)，MOSFET开关的低损耗与低开关频率相关，因此波形交错技术提高了并联SR-buck的转换效率。
    N个buck交错并联，同步信号的位相差P满足公式(2)时理论上输出纹波最小。所以MATLAB Simlink仿真4路SR-buck交错并联时，各同步时钟信号相差90°，如图5所示，4路同步信号频率相同，且占空比50％。

   

    图6和7是4路交错并联SR—buck的电感电流及其合成波形。图5中4路电流波形相错90°，电流波形波动的峰峰值大约是3．8～6．2 V，图6中的电流合成波形的峰峰值仅为19．937 5～19．937 8 A，由此可见波形交错技术在理论上是极大的降低了SR-buck的电感电流纹波，导致输出滤波电容值和ESR的降低。

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3 样机实验
3．1 样机设计
    开关电源的印制电路板(PCB)设计需要考虑的PCB和器件的抗电磁干扰和散热。图8是4路LTM4601并联的激光电源PCB的布版图。如此紧凑和小型化的PCB设计是为了能够将电源与激光器密封在同一小型封装内，可以很好地保护脆弱的激光器免受外界环境的影响，防止激光器的损伤，提升激光输出的稳定性；同时激光器与激光电源固定而短的连线，提升了激光电源的输出动态响应，降低了电流浪涌产生的可能。激光电源具有大电流输入和输出的特征，因此PCB版图设计中采用大面积裸露的铜层作为输入或输出大电流路径，保证电流通道低阻抗，同时扩展电源的散热，从而保证电源能够长时间连续大电流稳定工作。电源样机如图9所示。

3．2 实验结果
    实验结果如图10所示，实验数据：输入电压5 V，输出电压2．47 V，测量电阻大约0．2 Ω，输出电流12．6 A。此时输出电压纹波仅有2％。

    效率测试：实验用56 A的特种二极管作为负载，不同输入电压内的输出电流及效率参见表1。

    实验得到大电流二极管负载条件下最大输出电流达到40 A。输出电流值的调节控制，过电压和过电流保护，强制关机功能等功能也得到验证。

4 总结
    本文提出一种适用于LD泵浦光纤激光器的4路交错并联SR-BUCK的设计方案，波形仿真和实验曲线结果表明，波形交错技术也适用于电流模式SR-BUCK模块的并联；输出电流值的调节控制表明，输出母线电流电流反馈环可实现并联电源系统的电流模式控制。制成的小体积激光器电源仅有90 mmx36 mm，完全适用于便携式或手持式的光纤激光器。对于高功率密度激光电源，其PCB大电流路径和电源热分布还需要进一步的理论分析和优化。