一种应用于光纤激光器泵浦源的电源管控方法及系统与流程

本发明涉及光纤激光器电源管控，尤其涉及一种应用于光纤激光器泵浦源的电源管控方法及系统。

背景技术：

1、光纤激光器泵浦源是光纤激光器的核心单元，泵浦源属于激光二极管，为了保证其输出功率的稳定和产品的长期可靠，通常采用恒流源为其供电。随着光纤激光器输出功率的不断提升，泵浦源所需的电流也不断增大，大功率光纤激光器泵浦源的额定工作电流一般为40a-50a。同时，大功率光纤激光器为了满足加工系统的要求，需要对输出光功率进行快速变化，通常需要达到5khz的调制频率响应，并且一般通过电调制方式控制泵浦源工作电流的快速变化来实现。因此，泵浦源供电系统需要同时具备恒流输出能力、快速调制响应能力以及高转换效率。

2、目前市场上的常规方案主要包括以下三种。第一种方案是为每个光纤激光器泵浦源单独配置一组大功率恒流源，通过控制系统分别控制各恒流源的输出电流。该方案虽然能够保证每个泵浦源的供电稳定性，但随着光纤激光器输出功率越来越大，泵浦源数量不断增多，单独配置恒流源会导致整个系统的成本和控制复杂度显著增大。第二种方案是使用一个恒流源同时对两个或多个串联的光纤激光器泵浦源进行供电，以降低系统成本。然而，串联泵浦源的负载伴随电压会随工作电流的变化而产生大范围波动：单个泵浦源在0至额定电流工作范围内，其伴随电压的变化约为5v，当n个泵浦源串联时，伴随电压的变化范围将扩大为n×5v。在恒压源输出电压固定的情况下，恒流源两端承受的压差将产生剧烈变化，导致恒流源模块发热严重，极易烧毁，且电源系统整体效率很低。第三种方案是采用具有恒流优先模式的恒压源为泵浦源供电，该方案虽然能够在一定程度上解决效率问题，但受其工作原理限制，无法满足光纤激光器快速电调制所要求的频率响应。

3、进一步地，在恒压源输出电压vs、恒流源两端压差vds、泵浦源伴随电压vld以及恒流源采样电阻压降vrs1之间满足以下电压关系：vs=vds+vld+vrs1，其中vrs1相对于其他电压值可以忽略。由该关系可知，在vs固定且泵浦源工作电流变化导致vld大范围变化时，vds将反向等幅变化，从而引起恒流源热耗散的大幅波动。因此，现有技术中缺乏一种能够在大功率恒流源负载伴随电压宽范围动态快速变化时，既保持恒流输出，又满足快速调制响应，同时维持恒流源模块合理压差以提高效率的供电管控方案。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出一一种应用于光纤激光器泵浦源的电源管控方法及系统。

2、在一方面，本发明提供了一种应用于光纤激光器泵浦源的电源管控方法，包括：获取线性恒流源两端的实际压差，所述线性恒流源用于为光纤激光器泵浦源供电；获取恒流源控制信号的当前状态，所述恒流源控制信号包括使能控制信号和电流控制信号；根据所述恒流源控制信号的当前状态，确定当前工作模式以及所述当前工作模式对应的目标压差范围；判断所述实际压差是否处于所述目标压差范围内；如果所述实际压差不处于所述目标压差范围内，则生成电压调节信号，所述电压调节信号用于调节向所述线性恒流源供电的恒压源的输出电压，以使所述实际压差落入所述目标压差范围内。

3、本技术提供的上述方法中，获取线性恒流源两端的实际压差，是感知恒流源工作状态的基础。实际压差直接反映恒流源在当前工作电流及当前负载条件下的电压余量：压差过大时，恒流源两端承受的电压过高，热耗散功率显著增大，系统效率下降；压差过小时，恒流源内部的功率开关管可能进入饱和区或截止区，无法维持恒流输出，影响泵浦源的供电稳定性。获取恒流源控制信号的当前状态，使系统能够识别泵浦源当前所处的工况类型。泵浦源在实际工作中可以以恒定电流连续输出，也可以以一定频率进行开关调制输出，还可以在两种不同电流值之间进行交替输出，不同工况下对恒流源压差的要求各不相同，因此需要根据控制信号的状态确定对应的目标压差范围。判断实际压差是否处于目标压差范围内，当实际压差偏离目标范围时生成电压调节信号，通过调整恒压源的输出电压使恒流源两端的压差回到目标范围内，从而实现恒流源压差的闭环自适应控制。通过上述方案，即使多个泵浦源串联导致负载伴随电压大范围变化，也能够通过动态调整恒压源输出电压，使恒流源始终工作在合理的压差区间，既避免了恒流源因压差过大而发热严重的问题，又保证了恒流源具有足够的压差裕量以维持恒流输出能力，同时该闭环调整过程不依赖人工干预，能够快速响应泵浦源工作状态的变化，满足光纤激光器快速电调制的需要。

4、在某些优选的实施方式中，根据所述恒流源控制信号的当前状态，确定当前工作模式以及所述当前工作模式对应的目标压差范围，包括：如果所述使能控制信号为持续有效状态且所述电流控制信号为固定电压值，则确定所述当前工作模式为连续输出模式，所述连续输出模式对应的目标压差范围为第一压差范围；如果所述使能控制信号以预设开关频率在有效状态与无效状态之间交替变化且所述电流控制信号为固定电压值，则确定所述当前工作模式为开关调制模式，所述开关调制模式对应的目标压差范围为第二压差范围；如果所述使能控制信号为持续有效状态且所述电流控制信号在两个不同的电压值之间交替变化，则确定所述当前工作模式为电流交替输出模式，所述电流交替输出模式对应的目标压差范围为所述第二压差范围。通过区分不同工作模式并为每种模式配置对应的目标压差范围，系统能够在泵浦源连续输出和快速调制两种工况下采用不同的压差控制策略，兼顾热耗散抑制与动态响应速度。连续输出模式下压差可以保持在较低水平，从而降低恒流源的导通损耗；开关调制模式和电流交替输出模式下需要维持较高的压差，以保证电流切换瞬间的电压摆率，避免因压差不足导致电流上升沿变缓，影响调制精度。

5、在一种可选的实施方式中，所述第一压差范围为1v至3v，所述第二压差范围为3v至5v。上述数值范围是根据大功率线性恒流源的功率开关管饱和压降特性和调制响应速度要求确定的：压差低于1v时，功率开关管可能无法维持足够的动态范围，难以保证恒流精度；压差高于5v时，恒流源的热耗散功率明显增大，降低系统整体效率。本领域技术人员可以根据实际器件规格在上述范围内选择合适的目标值。

6、在某些优选的实施方式中，获取线性恒流源两端的实际压差，包括：通过隔离采样电路获取所述线性恒流源两端的实际压差，并将所述实际压差隔离传输至控制处理单元。由于线性恒流源位于高压动力电源回路，而控制处理单元位于低压控制回路，通过隔离采样电路将高压侧的压差信号隔离传输至低压侧，既保证了控制系统的电气安全，又避免了高压侧功率开关动作产生的噪声对低压控制信号的干扰。

7、在某些优选的实施方式中，生成电压调节信号，包括：将所述电压调节信号经隔离转换后加载至所述恒压源的控制端，以调整所述恒压源的输出电压。恒压源的输出电压控制端同样位于高压侧，通过隔离转换电路将控制处理单元输出的低压控制信号隔离后传输至恒压源控制端，实现低压控制回路与高压功率回路之间的安全隔离，避免了高压侧故障对低压控制系统的冲击。

8、在某些优选的实施方式中，所述方法还包括：预先根据所述光纤激光器泵浦源的串联数量以及泵浦源的伏安特性，确定不同输出电流下所述线性恒流源两端的预期压差；根据所述电流控制信号确定当前输出电流值；根据所述当前输出电流值和所述预期压差，确定所述实际压差与所述预期压差的偏差值；如果所述偏差值大于预设报警阈值，则判定泵浦源工作异常，输出报警信号并切断所述泵浦源的电流输出。通过预先设置泵浦源串联数量及其伏安特性，系统能够基于当前输出电流值计算出恒流源两端应当呈现的预期压差，进而将实时检测到的实际压差与预期压差进行比对。当泵浦源因老化、性能漂移或损坏而导致伏安特性发生变化时，实际压差将偏离预期值，通过偏差值比较能够在故障恶化之前及时发出报警信号并切断电流输出，实现对多串联泵浦源工作异常的自动保护。

9、在某些优选的实施方式中，所述线性恒流源为线性压控恒流源，包括功率开关管、运算放大器和采样电阻，所述线性压控恒流源的输出电流大小与所述电流控制信号的电压值成线性正比关系。上述线性压控恒流源利用运算放大器的反馈特性配合功率开关管构成闭环负反馈结构，采样电阻将输出电流转换为电压信号反馈至运算放大器输入端，使输出电流精确跟踪电流控制信号的变化，具有响应速度快、输出纹波小、恒流精度高的优点。

10、在另一方面，本发明还提供了一种应用于光纤激光器泵浦源的电源管控系统，包括：压差检测模块，其用于获取线性恒流源两端的实际压差，所述线性恒流源用于为光纤激光器泵浦源供电；控制信号检测模块，其用于获取恒流源控制信号的当前状态，所述恒流源控制信号包括使能控制信号和电流控制信号；模式确定模块，其用于根据所述恒流源控制信号的当前状态，确定当前工作模式以及所述当前工作模式对应的目标压差范围；判断模块，其用于判断所述实际压差是否处于所述目标压差范围内；电压调节模块，其用于在所述实际压差不处于所述目标压差范围内时，生成电压调节信号，所述电压调节信号用于调节向所述线性恒流源供电的恒压源的输出电压，以使所述实际压差落入所述目标压差范围内。通过上述各模块的协同工作，系统能够在泵浦源不同工况和不同工作电流条件下实时维持恒流源的合理压差，保证供电系统高效、稳定运行。

11、本发明具有如下有益效果：

12、本发明通过实时检测线性恒流源两端的压差并获取恒流源控制信号状态，能够准确识别泵浦源当前工作模式，并针对不同工作模式设定相应的目标压差范围，再通过闭环调整恒压源输出电压，使恒流源压差始终保持在合理区间。该方案有效地解决了多泵浦源串联供电时伴随电压宽范围变化导致的恒流源压差大范围波动问题，降低了恒流源热耗散，提升了系统整体效率。

13、本发明通过对恒流源控制信号的检测，能够在泵浦源以一定频率进行开关调制或电流交替输出时快速识别工况变化，并对应调整恒压源输出电压，满足了光纤激光器快速电调制的频率响应要求，保证了电源系统在动态工况下的稳定运行。

14、本发明通过预设泵浦源伏安特性并进行压差偏差监测，能够在泵浦源工作特性发生异常变化时及时发出报警并切断电流输出，实现了对多串联泵浦源工作异常的自动保护，提高了光纤激光器长期运行的安全性和可靠性。