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基于SG3525的新型二氧化碳激光器电源设计

1前言
SG3525在传统的开关电源脉冲调制控制器SG2524的基础上增加了欠压锁定电路、软启动电路、PWM锁存图腾柱式输出电路。提高了控制电路的可靠性,增强了输出的稳定性,特别适用于电源输出精度较高的场合。在激光加工领域,激光电源的可靠性和稳定性直接影响到输出光功率的稳定性,提出了基于新型电流控制型PWM控制器SG3525设计的二氧化碳激光电源旨,在解决当前激光加工领域中激光输出不稳定的问题。
 
2激光电源系统结构概述
以气体为工作物质的激光器电源系统主要由EMI滤波电路、功率变换电路、控制电路、反馈电路、保护电路以及辅助电源系统等构成。图1展示了该激光电源的各个组成部分。
 激光电源系统结构
2.1SG3525的内部结构及工作原理
如图2所示,RT和CT引脚分别外接定时电阻RT和定时电容CT,5脚和7脚之间接RD用于调节死区时间,振荡频率为:
 SG3525的内部结构示意图
SG3525的PWM比较器有三个输入端,同相端接定时电容CT产生锯齿波电压,反相端一接误差放大器的输出端,反相端二接软启动电路。当同相输入端的锯齿波电压高于任何一个反向端电压时,PWM比较器输出高电平,置位PWM锁存器,使输出关断;9脚的输出电压和锯齿波电压比较以决定PWM脉冲的占空比;8脚外接软启动电容,上电时,由内部恒流源给软启动电容充电,PWM比较器将输出从0至最大占空比的脉冲,软启动完成,随后PWM占空比由误差放大器输出端(9脚)控制;正常工作时,PWM比较器、振荡器、以及外部关断信号控制着PWM锁存器的输出。PWM锁存器在每个振荡周期被复位,使输出级产生驱动脉冲输出,PWM比较器根据占空比的不同对锁存器置位,将输出脉冲关断,完成半个PWM周期,触发器的输出在每半个PWM周期翻转一次,使脉冲交替出现在脉冲输出端;当关断引脚为高电平时PWM锁存器置位,禁止SG3525输出,实现逐个脉冲关断;在PWM锁存器置位期间软启动电容开始放电,如果该关断高电平持续,软启动电容将充分放电,直至关断信号结束重新进入软启动。
 
2.2SG3525构成的PWM控制电路
SG3525PWM控制电路如图3所示,软启动端接对地10μF的软启动电容,上电过程中,由内部50μA的电流源给软启动电容充电,使电容的电压线性缓慢升高,PWM比较器将输出从零逐渐变到最大占空比的PWM脉冲,从而完成软启动过程,启动后的PWM脉冲占空比由误差放大器的输出(9脚)电压控制。
 pWM控制电路
2.3功率管隔离驱动电路、功率变换电路
 隔离驱动及功率变换电路
如图4所示,本电源驱动部分采用三极管图腾柱式脉变隔离驱动,Q1、Q2、Q3、Q4构成图腾柱式输出,在SG3525的PWM电平作用下三极管对Q1和Q4,Q2和Q3成对导通和截止,用于驱动变压器,构成了功率MOS前级隔离驱动电路,一方面增加了驱动能力,另一方面,由于隔离的存在防止了MOS截止时开关应力对控制电路造成的损伤。CX1为隔直电容,RX1为限流电阻。电路的后半部分为LLC半桥谐振电路,两个MOS管中间串接电感L2,并从L2的中心抽头输出电压,提高了下级高压包的输出电压。D3和C10,D4和C11为尖峰电压抑制二极管和尖峰电压吸收电容,有效缓解了开关管的开关应力。D1和D2用于加速MOS管导通,Q5和Q6用于加速MOS管截止,C12为EMI滤波电容。
2.4保护电路
水保护系统原理如图5所示。关闭激光管的光功率输出主要由SG3525控制器的第10引脚控制,当该端口为高电平时控制器的PWM输出被禁止。保护电路由水保护以及过压保护共同实现控制,出现无冷却水或者出现过压时PWM控制器的输出都会被禁止。激光管冷却水循环系统中内置了水压传感器,水保护端电信号由水压传感器经放大后接至单向导通二极管D14,正常工作时水冷却系统中有循环水存在,水压传感器端输出低电平,与此同时,采样电压经由运放LM358与辅助电源电压分压(阈值电压)进行比较,当采样电压在阈值电压范围内时,运放LM38输出低电平,此时系统处于正常工作状态;当采样电压高于阈值电压或者冷却水循环系统中无水存在时,关闭输出,实现自动保护。
 水保护及过压保护电路
2.5控制电路
 
激光管中的电流大小是控制电路控制的核心对象。根据SG3525的工作原理,SG3525内部PWM比较器有3个输入端,同相端接定时电容形成锯齿波电压,一个反相端接误差放大器的输出(9脚),另一个反相端接软启动电路。当同相端的锯齿波电压高于任何一个反相端电压时,PWM比较器输出高电平使输出关断,误差放大器的9脚电压与锯齿波电压比较,控制着PWM脉冲占空比。如图6左半部分所示,电流互感器的电流经电阻转换为电压(反馈电压),反馈电压与外接控制信号电压进行比较,当外接电压大于反馈电压(即外部通过电平调节希望增大激光管电流提高激光功率输出),PWM控制器2脚上出现高电压电平,通过电阻反馈给误差放大器输出端,从而使误差放大器输出端电平高于锯齿波电压,继而增大了PWM输出的占空比,增加了开关管导通时间,从而实现增大激光管电流的目的。反之,当外接电平减小时,减小了PWM占空比,减小了开关管的导通时间,从而减小激光管输出功率。
 控制电路
3结束语
该激光电源样机在实验室实际使用过程中表现稳定,性能可靠,但将这款电源应用于激光加工等领域仍有一些控制方面的工作需要改进,总的来说这款电源具有一定的商业前景。
 
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