本发明专利技术公开的一种应用于半导体激光器控制系统的小型高稳定性供电电源模块，包括保险装置、EMI滤波电路、热插拔电路、三路高稳定性DC/DC稳压电路、输入输出接口；该电源模块输入一路直流电压，通过DC/DC稳压电路实现高效率转换，输出三路所需的全负载范围内的高稳定性直流电压；本发明专利技术具备完善的过压、过流、过温保护功能，可以实现电源板卡热插拔，同时EMI滤波电路可有效隔离前后级电路并降低DC/DC稳压电路产生的开关噪声，避免对其余器件产生影响；本发明专利技术为小型化半导体激光器控制系统提供高稳定性供电电压，可以保证电控系统在全负载范围内的稳定性，具有体积小、支持热插拔、稳定性高、动态响应快等特点。动态响应快等特点。动态响应快等特点。
【技术实现步骤摘要】
一种应用于半导体激光器控制系统的小型高稳定性电源模块
[0001]本专利技术属于半导体激光器控制系统供电电源设计
，具体涉及一种小型高稳定性电源模块，用于为半导体激光器控制系统中的电流源和温控系统提供高稳定性供电，具有体积小、保护功能完善、支持热插拔、稳定性高、动态响应快等特点。
技术介绍
[0002]半导体激光器具有体积小、能量利用率高等优良特性，已被广泛应用于原子操控、医疗卫生、精密测量等领域。半导体激光器是通过电流激励实现粒子数反转产生激光输出的，同时激光管工作温度会影响谐振腔长、阈值电流等因素从而影响输出光功率稳定性和输出光波长稳定性，因此半导体激光器控制系统中的电流源和温控系统的好坏直接决定了输出激光的质量。
[0003]半导体激光器对于控制系统的波动十分敏感，控制系统由供电电源、电流源、温控系统组成。目前国内外先进的半导体激光器控制系统的电流精度可达uA级、温控精度可达mK级，对于电源波动十分敏感，供电电源的输出纹波会通过后级器件的电源抑制比直接耦合到输出信号中，电源稳定性则会影响控制系统在全负载范围内的控制稳定性，因此需要一个具备完善保护功能、高稳定性的电源模块为半导体激光器控制系统提供高质量供电。
技术实现思路
[0004]本专利技术的技术解决问题：目前常用的半导体激光器供电电源为了完全避免开关噪声的引入而大多采用纯线性电源，难以应用于小型化应用场景；此外，半导体激光器是一种高敏感器件，在全负载范围内电源系统可能存在的不稳定性会使得半导体激光器在不同工作点的输出特性发生变化；因此，针对纯线性电源体积重量庞大以及电源系统全负载范围内的稳定性问题，本专利技术提出了一种应用于半导体激光器控制系统的小型高稳定性电源模块，不仅可以直接采用开关电源供电以减小体积、提高效率，而且可以保证控制系统在全负载范围内的供电电压稳定，从而确保半导体激光器输出光功率稳定性和频率稳定性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种应用于半导体激光器控制系统的小型高稳定性电源模块，包括保险装置、EMI滤波电路、热插拔电路、三路高稳定性DC/DC稳压电路、输入输出接口，其中：
[0006]所述保险装置作为一级保护电路，负责抑制由于输入接口插拔和输入电源母线因意外工况所引起的大峰值、亚微秒级尖峰电压，以免对后级电路造成破坏性冲击；
[0007]所述EMI滤波电路，负责将来自于上级供电的噪声和后级电路向前级传播的噪声通过EMI噪声回流路径导入地平面，使前后级电路相互隔离，从而抑制传导干扰噪声；
[0008]所述热插拔电路作为二级保护电路，负责抑制由于EMI滤波电路中电容元件所造成的大峰值、微秒级浪涌电流，弥补常规保险装置的不足，进一步确保后级电路安全；
[0009]所述三路高稳定性DC/DC稳压电路，负责对输入电压进行降压转换，采用DC/DC控制器分别实现正负降压转换，从而得到高稳定性输出电压；
[0010]所述输入输出接口为一路输入，三路输出，输入输出接口均采用自锁式直插接口，连接方便，可靠耐用。
[0011]进一步，所述保险装置包括快速熔断保险丝、双向TVS管和肖特基二极管；所述快速熔断保险丝放置于输入接口之后，当工作电流超过设定值时可快速熔断；所述双向TVS管具有皮秒级响应速度，放置于保险丝之后，可有效抑制输入尖峰电压；所述肖特基二极管具有低压降、高耐压的特点，串接于主电流回路防止电源反接，三者依次级联，共同实现过流保护、过压钳位和防电源反接的保护功能。
[0012]进一步，所述EMI滤波电路包括共模电感、差模电感、共模电容、差模电容和LC滤波；所述共模电感与共模电容构成共模回路，滤除输入电压中的共模噪声，共模电感中的差模分量、差模电感和差模电容构成差模回路，用于滤除输入电压中的差模噪声；在所述差模电感之后进一步引入LC滤波电路对输入电压中的差模噪声进行滤除，增强电源模块的传导抗扰度，同时降低DC/DC稳压电路自身所产生的传导干扰。
[0013]进一步，所述热插拔电路包括低温漂高精度采样电阻、N沟道MOSFET、浪涌抑制器、高纹波电流固态电容、第一低ESR/ESL高精度陶瓷电容；所述低温漂高精度采样电阻通过采样输出电压和输出电流来设置精确的过流保护阈值和钳位电压阈值；N沟道MOSFET作为主电流回路上的功率开关，其较低的导通电阻可最大限度降低功率损耗、提高效率，并且支持大功率应用场景；浪涌抑制器接收低温漂高精度采样电阻的采样电压，通过与内部参考电压的比较来控制外部N沟道MOSFET的导通程度，进而调节输出电压，具有宽工作电压范围、高耐压、故障预警时间可调、低关断电流低等特点；高纹波电流固态电容负责对热插拔电路输出电压进行平滑，高纹波特点可以降低由于后级DC/DC稳压电路造成的脉冲电流所引起的电容温升，进一步保证电压稳定；所述第一低ESR/ESL高精度陶瓷电容一方面与浪涌抑制器内部恒流源构成充电回路，进而实现精确故障预警时间设置，另一方面对热插拔电路输出电压进一步平滑，低的ESR/ESL值降低后级DC/DC稳压电路造成的脉冲电流所引起的电压尖峰，进而保证供电电压的稳定；热插拔电路对于电源模块带电插拔时产生的浪涌电流具有快速响应能力，从而避免对后级电路造成影响，起到更完善的保护功能。
[0014]进一步，所述DC/DC稳压电路包括低温漂高精度采样电阻、DC/DC控制器、低DCR高精度功率电感、耦合功率电感、肖特基二极管、第二低ESR/ESL高精度陶瓷电容；
[0015]所述低温漂高精度采样电阻一方面通过采样输出电压反馈至DC/DC控制器以实现稳压控制，另一方面与第二低ESR/ESL高精度陶瓷电容构成Ⅱ型、Ⅲ型补偿网络，通过精确设置零极点以校正DC/DC稳压电路的环路特性，提高瞬态响应速度；
[0016]所述DC/DC控制器用于实现正电压降压转换和负电压降压转换，均采用电流模式拓扑结构，易于实现快速瞬态响应，输出电流达数安培，具备开关频率可调可同步、欠压锁定、软启动、低关断电流、低热阻特点，通过采样电压和内部参考电压比较，经补偿网络校正后实现对内部MOSFET的控制，进而实现稳压；
[0017]所述低DCR高精度功率电感一方面作为储能元件在固定时间为负载提供能量，另一方面与第二低ESR/ESL高精度陶瓷电容构成LC滤波器，将来自DC/DC控制器的斩波电压进行平滑输出，低的DCR值能够有效降低导通损耗，提高电源效率；
[0018]所述耦合功率电感将两个绕组同向绕制在同一磁芯，用于搭建负电压降压转换拓扑，通过设计合适的耦合系数，使得输出电流纹波抵消，理论上实现零纹波电流输出；
[0019]所述肖特基二极管作为续流二极管，在DC/DC控制器内部MOSFET关断期间为DC/DC稳压电路提供续流回路，向负载提供能量；
[0020]所述第二低ESR/ESL高精度陶瓷电容一方面负责对DC/DC稳压电路的输出电压进行平滑，低的ESR/ESL值能够降低输出电流纹波所造成的电压波动，进而保证输出电压的稳定，另一方面则是作为负电压本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种应用于半导体激光器控制系统的小型高稳定性电源模块，其特征在于：包括保险装置、EMI滤波电路、热插拔电路、三路高稳定性DC/DC稳压电路、输入输出接口，其中：所述保险装置作为一级保护电路，负责抑制由于输入接口插拔和输入电源母线因意外工况所引起的大峰值、亚微秒级尖峰电压，以免对后级电路造成破坏性冲击；所述EMI滤波电路，负责将来自于上级供电的噪声和后级电路向前级传播的噪声通过EMI噪声回流路径导入地平面，使前后级电路相互隔离，从而抑制传导干扰噪声；所述热插拔电路作为二级保护电路，负责抑制由于EMI滤波电路中电容元件所造成的大峰值、微秒级浪涌电流，弥补常规保险装置的不足，进一步确保后级电路安全；所述三路高稳定性DC/DC稳压电路，负责对输入电压进行降压转换，采用DC/DC控制器分别实现正负降压转换，从而得到高稳定性输出电压；所述输入输出接口为一路输入，三路输出，输入输出接口均采用自锁式直插接口，连接方便，可靠耐用。2.根据权利要求1所述的一种应用于半导体激光器控制系统的小型高稳定性电源模块，其特征在于：所述保险装置包括快速熔断保险丝、双向TVS管和肖特基二极管；所述快速熔断保险丝放置于输入接口之后，当工作电流超过设定值时可快速熔断；所述双向TVS管具有皮秒级响应速度，放置于保险丝之后，可有效抑制输入尖峰电压；所述肖特基二极管串接于主电流回路防止电源反接，三者依次级联，共同实现过流保护、过压钳位和防电源反接的保护功能。3.根据权利要求1所述的一种应用于半导体激光器控制系统的小型高稳定性电源模块，其特征在于：所述EMI滤波电路包括共模电感、差模电感、共模电容、差模电容和LC滤波；所述共模电感与共模电容构成共模回路，滤除输入电压中的共模噪声，共模电感中的差模分量、差模电感和差模电容构成差模回路，用于滤除输入电压中的差模噪声；在所述差模电感之后进一步引入LC滤波电路对输入电压中的差模噪声进行滤除，增强电源模块的传导抗扰度，同时降低DC/DC稳压电路自身所产生的传导干扰。4.根据权利要求1所述的一种应用于半导体激光器控制系统的小型高稳定性电源模块，其特征在于：所述热插拔电路包括低温漂高精度采样电阻、N沟道MOSFET、浪涌抑制器、高纹波电流固态电容、第一低ESR/ESL高精度陶瓷电容；所述低温漂高精度采样电阻通过采样输出电压和输出电流来设置精确的过流保护阈值和钳位电压阈值；N沟道MOSFET作为主电流回路上的功率开关，其低的导通电阻能够最大限度降低功率损耗、提高效率，并且支持大功率应用场景；浪涌抑制器接收低温漂高精度采样电阻的采样电压，通过与内部参考电压的比较来控制外部N沟道MOSFET的导通...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯锐，牟超，施彦培，郭旭恒，李世强，韩邦成，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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