大功率光纤激光器恒流驱动电源设计分析

杨丕龙

摘  要：光纤激光器作为第三代激光技术的代表，与传统固体激光器相比，具有结构简单、转换效率高等优点。其中恒流驱动电源作为光纤激光器中的重要组成部分，对光纤激光器提供充足电源起到关键性作用，能有效改善传统线性电源能量消耗大的问题，提升对能源的使用效率。基于此，主要对大功率光纤激光器恒流驱动电源设计进行分析研究，以期为相关人员提供参考。

关键词：大功率  光纤激光器  恒流驱动电源  设计分析

中图分类号：TN248

Analysis of the Design of the Constant-Current Driving Power Supply for High-Power Fiber Lasers

YANG Pilong

AVIC Manufacturing Technology Institute， Beijing， 100024 China

Abstract： A fiber laser， as a representative of the third-generation laser technology， has the advantages of the simple structure and high conversion efficiency compared to traditional solid-state lasers. The constant-current driving power supply， as an important component of fiber lasers， plays a crucial role in providing sufficient power for fiber lasers， which can effectively improve the problem of the high energy consumption of traditional linear power supplies and enhance the use efficiency of energy. Based on this， this article mainly analyzes and studies the design of the constant-current driving power supply for high-power fiber lasers， in order to provide reference for relevant personnel.

Key Words： High power; Fiber laser; Constant-current driving power supply；Design analysis

随着光纤激光器技术的不断发展和应用领域的扩大，对于高功率光纤激光器驱动电源的需求也越来越迫切。恒流驱动电源作为一种重要的供电方式，能够提供稳定且精确的电流输出，对光纤激光器的性能和稳定性具有关键影响。本文旨在设计一种高效、可靠且精密的大功率光纤激光器恒流驱动电源系统，以满足现代光纤激光器系统对电源质量和性能的要求。最终推动光纤激光器技术在各个应用领域的进一步应用和发展。

1 光纤激光器结构与工作原理分析

在光纤激光器的结构中，光纤芯是光纤激光器的核心部分，通常由具有特定折射率的材料制成，将活性离子或掺杂物被引入光纤芯中，以增加激光的放大效果，而泵浦光源主要是能够提供多个能量，激发光纤中的活性离子或掺杂物，通常泵浦光源通常为半导体激光器、二极管激光器或强光脉冲等，当泵浦光源的能量传递到光纤芯中，使其处于激发状态。在反射器中，通常光纤激光器使用两个反射镜来形成激光谐振腔，其中第一个反射镜是完全反射镜，第二个反射镜是部分透射镜，这种结构使得激光在光纤中来回反射，形成谐振腔，并最终通过部分透射镜从激光器输出，在输出耦合方面，部分透射镜用于耦合或控制输出的激光功率[1]。通过调整透射镜的反射率和方向，可以控制输出激光的强度和方向性。

2 大功率光纤激光器恒流驱动电源设计分析

2.1主功率电路分析设计

2.1.1电源电路拓扑设计

该部分设计需要选择适当的电路拓扑结构以实现高效、稳定的恒流驱动。常见的电源电路拓扑包括开环和闭环结构等。

在开环结构中，主要使用开关模式电源，如开关电源或谐振变换器，提供高效的转换效率和稳定的输出电流，但对于噪声和干扰敏感，并且需要精确地控制电路来实现恒流输出。闭环结构采用反馈控制回路，其中恒流控制器通过感知输出电流并与参考信号比较，调整开关电源或谐振变换器的工作状态。闭环拓扑通常具有更好的稳定性和抗干扰能力，可实现更精确的恒流输出。此外，还需考虑滤波电路以减小输入和输出的电噪声，保护电源和附近的电子元件。同时合适的元件选择（如电感、电容和开关元件）以及适当的参数计算也是必要的，以确保电路的高效运行和稳定性[3]。

2.1.2半桥LLC谐振变换器设计

半桥LLC谐振变换器在光纤激光器电源的主功率电路中扮演着重要的角色，半桥LLC谐振变换器在结合半桥拓扑和LLC谐振特性的基础上，能够提供高效率和高功率密度的电源转换解决方案。在光纤激光器恒流驱动电源设计中，半桥LLC谐振变换器被广泛应用，以实现稳定的恒流输出。

在设计半桥LLC谐振变换器时，需要考虑以下几个关键因素。

在进行频率选择的过程中，通常选择合适的谐振频率对于电路的性能至关重要。通常，选择高频率可以减小变压器尺寸和电感器的值，同时也会增加开关损耗和电容元件的要求。需要综合考虑电路的效率和成本进行选择。在变压器设计当中，变压器是半桥LLC谐振变换器中的关键组件，设计时需要考虑输入电压范围、输出功率需求和谐振频率等因素，然后合理选择磁芯材料、匝数比和线径以及工作模式（如全桥或半桥）等，可以实现高效能转换和减小功率损耗。例如在变压器设计中，磁芯参数设计比较关键，以PQ5050磁芯相关参数为例，具体参数设计如表1所示。

2.2  电源系统实现设计

2.2.1  数据采集模块硬件设计

该模块的主要功能是实时监测激光器的电流输出，将采集到的数据传输给控制系统进行反馈调节。

在硬件设计方面，数据采集模块通常包括以下几个关键组件。

第一，在传感器选择方面，选择适合大功率激光器电流测量的传感器，如霍尔效应传感器或电流互感器。确保能够以高精度和快速的方式检测激光器的输出电流。第二，在信号调理电路设计中，将采集到的传感器信号需要经过放大、滤波和线性化等处理，以确保准确性和可靠性。信号调理电路可以通过运算放大器、滤波器和线性化电路等元件来实现。第三，在ADC转换器设置方面，将模拟信号转换为数字信号是数据采集过程的关键步骤。ADC转换器将经过信号调理的模拟信号转换为数字形式，以便于后续处理和传输[4]。

2.2.2  主控制模块硬件设计

主控制模块硬件设计通常是负责监测和控制输出电流，确保光纤激光器能够平稳运行，在具体设计的过程中，首先，要求主控制模块硬件选择适当的控制芯片或微控制器作为主控制单元，芯片要求能够具备高速计算能力和丰富的接口功能，以满足恒流驱动的需求。其次，设计合适的电流检测电路，用于实时监测光纤激光器的输出电流。通常使用电流传感器或电阻来测量电流值，并将其反馈给控制芯片。然后，配备一个精确的参考电压源，用于提供稳定的基准电压。从而通过稳压器电路或者放大器电路来实现，确保恒流驱动的准确性和稳定性[5]。

2.2.3  驱动器电源软件设计

驱动器电源软件设计一般是通过恒流控制算法的开发和实现，该算法通过监测激光器电流，与设定的目标电流进行比较，以调整电源输出来保持恒流驱动。常见的恒流控制算法有PID控制、模糊控制等。然后需要实时采集并处理激光器电流、温度等关键参数数据。通过合适的传感器和数据采集模块，将数据传输给软件进行实时监测和处理，以便及时调整电源输出并保持恒流驱动。另外在软件设计的过程中应考虑到激光器的保护机制。当激光器出现过流、过温或其他异常情况时，软件应具备相应的保护功能，及时停止驱动电源输出，以避免对激光器造成损害。

2.3  散热系统设计

2.3.1  功率损耗计算

在大功率光纤激光器恒流驱动电源设计中，散热系统的设计有着重要影响，以确保电源和激光器能够稳定运行并避免过热。为了正确设计散热系统，需要进行功率损耗计算来确定所需的散热能力。

首先，需要确定激光器的工作电流和电源的效率。根据光纤激光器的规格和厂商提供的数据，确定好激光器的额定工作电流。然后，通过查阅相应的电源规格表或联系厂商获取电源的效率数据计算激光器和电源的功率损耗，激光器的功率损耗可以通过将工作电流乘以激光器的电压降得到。例如：如果激光器的工作电流为10 A，电压降为2 V，则功率损耗为其中A表示电流，V表示电压。

电源的功率损耗可以通过将输入功率乘以（1-效率）来计算。假设电源的输入功率为100 W，效率为90％，则电源的功率损耗为其中W表示电损功率。确定了激光器和电源的功率损耗后，可以计算散热系统所需的散热能力。散热能力通常以热阻的形式表示，该参数描述了每瓦特功率损耗导致的温度升高。假设散热器的热阻为0.5 ℃/W，根据激光器和电源的功率损耗计算结果，激光器将导致温度升高10 ℃，而电源将导致温度升高5 ℃。最后，需要确保散热系统的设计能够将这些温度升高有效地分散和降低。比如选择合适的散热器类型、散热片尺寸和材料，以及优化风道和风扇配置等措施[6]。

2.3.2  电源系统散热仿真

在大功率光纤激光器恒流驱动电源设计中，电源系统的散热是一个关键问题。高功率激光器产生的热量需要快速散发出去，以确保整个电源系统的稳定性和可靠性。进行散热仿真前需要确定电源系统的散热需求。通过计算或者实验来获得激光器工作时的最大功耗和温升，并确定需要散热的热量。其次，选择合适的散热器和散热方式。常见的散热器包括风扇散热器、散热片和热管等。选择散热器要考虑到其散热性能、体积和成本等因素，需要选择合适的散热方式，如自然对流散热或强制对流散热。然后，进行散热系统的布局和设计。在电源系统的设计中，应合理安排散热器的位置和布局，以确保热量能够有效地传导和排出。同时，还需要注意电路板的布局，避免热量集中在某些区域，影响整个系统的散热效果。

3  结语

综上所述，本文在分析光纤激光器具体结构的基础上，对激光器驱动电源设计要点进行分析研究，通过对设计要点的实施，能够进一步提高对光纤激光器的稳定性与可靠性，提高电源的输出功率和效率。为此需要不断提高重视，加强技术创新，最终促进激光器领域的可持续性发展。

参考文献

[1]于秋驰.高功率光纤激光器恒流驱动电源一体化设计[D].郑州：郑州大学，2022.

[2]蒋明渊.基于Yb：YAG晶体衍生光纤的单频激光器的设计与研究[D].济南：山东大学，2021.

[3]王锦荣，吴双娥，邱炎儿，等.高稳定大功率半导体激光器驱动电源的研究[J].应用激光，2023，43（8）：170-175.

[4]赵军峰，冯斌，王浩圣.高性能半导体激光器电源系统设计与研究[J/OL].应用激光：1-12[2024-01-03].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1375.T.20230423.2204.002.html.

[5]罗海玲，方宇杰，盛一成，等.大功率高频脉冲LD驱动电源设计[J].自动化应用，2021（3）：105-108.

[6]吴嘉文，齐雨，吴新科.航天用高效率半导体激光器驱动电源[J].上海航天（中英文），2020，37（2）：81-87.