低壓大電流電壓調節(jié)模塊(VRM)能夠實現低壓大電流輸出，自動點膠機VRM或其并聯(lián)方式能夠實現1．5 V左右50 A及更高的電流輸出，并具有滿足效率高和動態(tài)響應速度快等特點，VRM或其并聯(lián)主要是以微處理器作為目標負載進行設計，因此VRM并不適合直接用于驅動大功率激光二極管(L-D)及其列陣的半導體激光器或以其作為泵浦源的激光器。半導體激光器驅動電源電路還要滿足輸出電流恒定、紋波小和嚴密的保護的要求。半導體激光器電源雖然在體積、重量、可靠性和安全性有所發(fā)展，但是仍然不適合便攜式或手持式激光器系統(tǒng)的使用要求。
本文介紹一種便攜式LD列陣泵浦光纖激光器的驅動電源的設計方案，恒流電源模塊并聯(lián)以實現大電流的恒流輸出，采用波形交錯技術同步并聯(lián)模塊以降低輸入和輸出紋波，因此減少輸入和輸出電容值，并且電流輸出母線引入電流反饋以實現激光器輸出光功率大小的控制。
1 系統(tǒng)方案
半導體激光器的工作特性是低壓大電流，因此采用降壓(buck)拓撲。二極管工作時會產生0.4～0.8 V的正向壓降，是大電流輸出的主要轉換器損耗；以正向壓降很小的同步整流功率場效應管(SR MOSFET)代替，其15 A輸出電流下正向壓降只有0.1 V甚至更低，這樣至少減少了75％的電源功率損耗。其工作拓撲結構如圖1所示。
單路SR-buck的輸出電流值過大，轉換器損耗的絕對值就很大，使得電源內部產生很大的熱應力，因此會導致電源的效率急劇下降，并會降低電源連續(xù)正常工作時間。多路SR-buck并聯(lián)可以分散熱應力，實現高效率的大電流輸出。圖2是并聯(lián)電源系統(tǒng)方案框圖，以4路位相相差90°的波形來實現4路SR-buck的交錯并聯(lián)，此交錯技術可以有效的實現輸入和輸出波形的紋波，降低輸入和輸出濾波電容值，減小電源的尺寸。電流輸出母線上引入電流反饋環(huán)路，以實現負載不變條件下對于輸出電流值的調控。
圖3是基于圖2的基本原理而設計的實際電路的原理圖，采用凌力爾特(LT)公司的SR-buck拓撲的電流控制模塊LTM4601作為并聯(lián)單元，其優(yōu)點是可以簡單的實現可編程軟啟動，最大輸出電壓值設定和輸出電流值的補償控制。采用LT的差分放大芯片LT1620構建電流反饋回路，特有的外部控制輸入端。采用LT的振蕩產生芯片LTC6902實現頻率編程和占空比50％的4相交錯輸出波形輸出。
1.1 模塊LTM4601簡介
LTM460l屬于LT的μModule電源模塊系列，其輸入電壓范圍是4．5～20 V，輸出電壓在0．6～5 V可調，具有輸出過壓保護，電流折返保護，電流模式控制，強制停機，外部頻率同步，可編程軟啟動等功能，適用于多模塊間的并聯(lián)均流工作，并采用散熱和接觸性能良好的小體積LGA封裝。圖4是電源模塊LTM4601的內部原理框圖，公式(1)是輸出限壓Vout與電阻值Rset以及并聯(lián)模塊個數N之間的關系,本文設定輸出限壓為2．5 V，則計算得到電阻Rset的取值大約是5 kΩ。
2 波形交錯技術
波形交錯技術可以在不增加開關頻率的條件下降低輸入和輸出的電流紋波，具有紋波互消和相間分流的優(yōu)點，因此以低開關頻率實現高頻輸出電壓紋波；同時波形交錯技術可以降低輸入電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)，MOSFET開關的低損耗與低開關頻率相關，因此波形交錯技術提高了并聯(lián)SR-buck的轉換效率。
N個buck交錯并聯(lián)，同步信號的位相差P滿足公式(2)時理論上輸出紋波最小。所以MATLAB Simlink仿真4路SR-buck交錯并聯(lián)時，各同步時鐘信號相差90°，如圖5所示，4路同步信號頻率相同，且占空比50%。
圖6和7是4路交錯并聯(lián)SR—buck的電感電流及其合成波形。圖5中4路電流波形相錯90°，電流波形波動的峰峰值大約是3.8～6.2 V，圖6中的電流合成波形的峰峰值僅為19.937 5～19.937 8 A，由此可見波形交錯技術在理論上是極大的降低了SR-buck的電感電流紋波，導致輸出濾波電容值和ESR的降低。
3 樣機實驗
3.1 樣機設計
開關電源的印制電路板(PCB)設計需要考慮的PCB和器件的抗電磁干擾和散熱。圖8是4路LTM4601并聯(lián)的激光電源PCB的布版圖。如此緊湊和小型化的PCB設計上海vi設計是為了能夠將電源與激光器密封在同一小型封裝內，可以很好地保護脆弱的激光器免受外界環(huán)境的影響，防止激光器的損傷，提升激光輸出的穩(wěn)定性；同時激光器與激光電源固定而短的連線，提升了激光電源的輸出動態(tài)響應，降低了電流浪涌產生的可能。激光電源具有大電流輸入和輸出的特征，因此PCB版圖設計中采用大面積裸露的銅層作為輸入或輸出大電流路徑，保證電焊機出租電流通道低阻抗，同時擴展電源的散熱，從而保證電源能夠長時間連續(xù)大電流穩(wěn)定工作。電源樣機如圖9所示。
3.2 實驗結果
實驗結果如圖10所示，實驗數據：輸入電壓5 V，輸出電壓2.47 V，測量電阻大約0.2 Ω，輸出電流12.6 A。此時輸出電壓紋波僅有2％。
效率測試：實驗用56 A的特種二極管作為負載，不同輸入電壓內的輸出電流及效率參見表1。
實驗得到大電流二極管負載條件下最大輸出電流達到40 A。輸出電流值的調節(jié)控制，過電壓和過電流保護，強制關機功能等功能也得到驗證。
4 總結
本文提出一種適用于LD泵浦光纖激光器的4路交錯并聯(lián)SR-BUCK的設計方案，波形仿真和實驗曲線結果表明，波形交錯技術也適用于電流模式SR-BUCK模塊的并聯(lián)；輸出電流值的調節(jié)控制表明，輸出母線電流電流反饋環(huán)可實現并聯(lián)電源系統(tǒng)的電流模式控制。制成的小體積激光器電源僅有90 mmx36 mm，完全適用于便攜式或手持式的光纖激光器。對于高功率密度激光電源，其PCB大電流路徑和電源熱分布還需要進一步的理論分析和優(yōu)化。
