浅析一种CO2 激光电源各组成部分电路结构

1 概述

当前CO2激光器及其雕刻机的应用逐渐增多。尽管激光电源电路结构形式繁多，使用元器件种类五花八门，但归纳起来也不外乎就是：开关电源、控制电路、保护电路与高压包等环节的有机组合。由市电供电的激光电源最为常用，其电路结构框图如图1所示。

图1 CO2激光电源框图

由图1可以看到，该电源内部由①到⑦的7个大功能环节相互关系。该7大功能环节的工作原理，在以下各节中予以阐述。

2 市电电源滤波器和整流电路

2.1 电源射频滤波器

市电电源滤波器和整流电路如图2所示。

为抑制激光电源运行时对电网的射频传导干扰，像通常的开关电源一样，市电输入端置入了电源滤波器L1和压敏电阻RV1，以及滤波电容C1、C2。桥式整流电路之前，串入负温度系数热敏电阻RT1，以降低开机瞬间平波大容量电容C4和C5(参见图3)中的大电流冲击。降低开机瞬间的电流峰值，不仅可以减小熔断器FU1的额定熔断值，提升整体电路的安全可靠程度;也从源头上大大减少了开机产生的瞬间干扰，这比被动地强化射频滤波更来得理智而有效。

2.2 高压对地放电的保护

与普通开关电源相比，多出了激光电源输出端开路时，50kV高压对地放电的保护单元：放电管VDF、电阻R1和电容C3。当电源输入端的保护零线PE未接通，又恰逢激光电源输出端未与激光管接通，并与地连接或对地产生弧光放电时，放电管VDF承受高压瞬间(1ns)即会迅速导通，高压电经整流桥N1负端p桥臂、热敏电阻RT1和电源滤波器L1与电网中的零线N连通，从而使电源内部所有与PE线连接的环节和器件，避免了50kV高压的袭击。

激光电源实际运用中，由于种种不文明行为，输入端的保护零线PE常常不与电网中的保护零线PE连接，倘若此时又适逢另一操作上的不文明行为——忘记将输出高压端与激光管连接好，开机时就会发生50kV高压对地放电的现象，此时若是没有VDF放电管的保护，就会发生毁机事故——激光电源内的主电路和控制电路以及辅助电源都会发生击穿，造成永久性破坏!

2.3 高压端对地放电保护时间勿超2 min

尽管有了VDF的保护，但因VDF的放电时间仅能限制在(1∽2) min，超出这段时间，VDF就会因永久性损坏而丧失保护功能。所以，这种保护也仅仅是一种权宜之计，并非一劳永逸之举。即使有了一劳永逸举措，仍然需要信守兢兢业业和有条不紊的工作准则。一旦哪次发现高压对地放电，当立即关机，纠正疏漏。

3 变换器主电路

3.1 半桥式DC/AC变换器

变换器主电路如图3所示，采用的结构形式为半桥式变换器，C4和C5串联将DC300V(来自图2输出端)电压一分为二，晶体管VT1和VT2串联构成“半桥”，二管连接点至C6之间即为输出端。C6称之为交流耦合(隔直)电容，增加稳定工作可靠性。晶体管1个管导通时，另一管截止，承受供电直流电压的全电压(即300V)。但高压包原边绕组却仅承受供电直流电压的一半，即C4或C5上的电压。半桥式DC/AC变换器适合输出几百VA的功率，经济性好。

3.2 高压包

两个高压包T1和T2的原边串联后，连接在半桥式DC/AC变换器的输出端，R2和C7构成尖峰电压吸收电路，尽可能地将尖峰电压抑制到最低程度，避免晶体管集-射极间的电压超限，最好留出余地，以确保工作过程中的稳定可靠性能。二高压包根据自身型号及规格，二原边绕组也可采用并联形式，副边串联以提高输出电压值。[p]

3.3 工作状态显示

在每个高压包的磁芯上各绕2匝朔胶绝缘导线，按图分别与各自的限流电阻和发光二极管连通，就构成了每个高压包的工作状态显示电路。若半桥式DC/AC变换器中的元器件损坏，两个发光二极管都不亮;若仅一个发光二极管不亮，则说明半桥式DC/AC变换器没问题，未亮发光二极管所对应的高压包损坏。

4 驱动电路

驱动电路如图4所示。该电路为变压器输出的推挽式开关放大器，当输入端没有触发电压信号时，晶体管VT3和VT4的基极电压低于射极，二管均截止。当一个管子基极出现高电平时，该管即导通，T3变压器原边的一半流过电流，副边即感生出方波电压(此时另一晶体管处于截止状态)。当该管基极触发电压消失，越过死区之后，另一晶体管触发导通，T3原边的另一半流过电流，副边感生反向电压，同名端如图所示。二极管VD7、VD8与对应的电阻R9、R10一起，是为提升晶体管基极的截止电压而设的——当基极处于低电平时，射极电压高于基极，以确保晶体管此期间的截止,提高稳定可靠性。

为改善T3输出方波的前沿，副边增设加速电容C8和C9，整流管VD3和VD4既有整流作用，也兼具加速电容反向电压的泄放作用。R5与R6起限流作用，通常不超过几Ω，否则会影响晶体管导通，有时可以仅为1Ω。

5 辅助电源电路

5.1 +12V电源

辅助电源电路如图5所示。该开关稳压器采用变换器型开关电源模块5L0380R制成，有4个端子：1-GND,2-漏极，3-自激供电，4-反馈电压。内部还自设过热、过流和过压保护，以及欠压锁定环节，TO-220F-4L封装。外围元器件不多，只要高频电源变压器T4参数和同名端正确，几乎无需调试，就能满足技术要求，经济性好，维修也方便。

单端反激式开关电源的输出脉宽较大，适用于电网波动大的场合，源电压效应优于正激式开关电源，所以这里也就采用了反激的形式。接通DC300V(来自图2的输出端)的瞬间，变压器副边整流管VD11不导通，+12V输出端无电压;另一副边的整流管VD10由于同名端的设定而导通，为N2模块提供工作电源。当N2内的触发脉冲终止，功率场效应管截止时，各绕组上的电压反向，VD11导通，+12V输出端才有电压供给。

12V输出电压经R15和稳压管VZ1，作用于光耦N3的控制元件——发光二极管上;流过发光二极管的电流大小，影响N3内光控管极间电压，也就决定施加于4脚的反馈电压大小。即：当+12V输出端电压因故发生变化时，N3输出端的电压反向变化，随时调节4脚反馈电压大小，以修正触发脉宽弥补+12V输出端的电压变化，达到稳压目的。

5.2 +5V电源

将上节中的+12V电压再经5V三端线性稳压器N4降压，即可满足要求。

5.3 滞后+12V电源

在+12V电源输出端加入晶体管VT5和继电器K1等元器件，即可将5.1节的+12V电源延迟10余ms，之后，再经R19和VD13输出，显然由VD13阴极输出的电压值已不再是12V了。加入这样的滞后电路，使变换器功率开关管上的触发电压滞后一些时间施加，确保变换器的安全可靠工作。但该电路尚有改进提高的可能。[p]

6 脉宽调制电路

脉宽调制电路如图6所示，该环节仅由集成脉宽调制器N6及其外围元器件构成。为确保变换器安全，其过电流保护分成两个层次来实施取样：一个是变换器主电路(高压包原边)中的过电流(见以下6.4节)，一个是高压包副边过电流(见以下6.5节)，这两个电流中有一个达到设定值，都会将电路推向限定状态，限定其不会进一步增加。

6.1 脉宽输出端

N6脉宽调制器为TL494，两路输出级晶体管的集极分别为11脚和8脚，两个调制脉宽(电角度相差180°)即由该二脚分别输出，二射极与地相连。

6.2 截止控制

截止端为4脚(死区控制端)，当控制电路未触发时，图8中的反相器N7A(2脚)输出高电平至N6的4脚，即将输出端关闭。当误差放大器的同相输入端1脚上的反馈电压升至最大时——等于或接近+5V时，N6也无脉宽输出。

6.3 脉宽控制

脉宽控制端为2脚，控制电压由IN处施加，经电阻R29到达误差放大器的反相输入端2脚，该电压值越大(小于5V)，输出电压就越高，与1脚电压的作用正好相反。

6.4 过流保护Ⅰ(变换器主电路过电流取样)

来自变换器主电路(高压包原边)中的过电流，流过电流互感器L3原边时，副边感生电压，电位器RP3的可调端电压经R31作用于N6的16脚(误差放大器的同相输入端)，误差放大器的反相输入端15脚的电压，由N6内部的基准电压+5V由13脚经R27和R26的分压值确定为2.5V，从而令输出脉宽不能无限制地增加。与RP3并联的电位器RP2的可调端，经二极管VD18加到另一误差放大器的同相输入端1脚，其反相输入端2脚电压则由与R29联通的功率控制端IN所设置的电压值来决定。C24、C27分别并接于1脚和16脚上，有平抑尖峰干扰电压的作用，增进系统稳定性。

6.5 过流保护Ⅱ (高压包副边过电流取样)

高压包副边的负端经R23接地，输出电流增大时，R23上的压降也增大。R21和R22串联后与R23并联，当R22上的电压高于2.5V时，基准电源N5导通，限制了R23电压不会快速增长。RP1电位器也与R23并联，其可调端电压经二极管VD21也并联于1脚，限制输出脉宽的增长。

7 高压输出端开路保护电路

高压输出端开路保护电路如图7所示。在实际操作中，常常会有一些疏忽，一种很大的疏忽就是——激光电源输出端未与激光管连接就去开机，如果这时几10 kV的高压对地放电，操作人未发现，电网单相三线供电中的PE保护零线又未连通，图2中的放电管VDF就会因为放电时间长而毁坏。那么，高压窜入机器电路，就会造成大面积的损坏，因为机器内所采用的电子元器件实在是没有几个能承受得了几10kV的高压。这时要修理好设备，费用可能比买一台新的还要贵。因此，仅仅采用放电管来预防和保护机器还是不够的。

7.1 高压负极采样

为了增添功能而又不增大体积和多少费用，图7的开路保护电路中没有直接从输出高压端采样，而是在T2高压包的磁芯上绕了2匝附加绕组，再将其输出电压经VD23—VD24整流桥整流(与高压包副边负极连通)分压后，输入运放N8A的同相输入端。

7.2 保护过程

在不开路情况下，R42上的电压总是小于R44上的电压，晶闸管SCR处于截止状态，运放N8B输出低电平。高压输出端一旦开路，2匝绕组电压骤然上升，N8A输出电压突升，SCR导通。N7B反相输入端电压降低，输出端呈高电平(与图6脉宽调制器N6的4脚直通)，N6输出截止，激光电源停止运行。由开路到实施保护，这过程小于1.5ms。但高压包输出端内部并有电容，在无放电情况下，电容上的高压泄放时间较长，人身切勿急于触及。[p]

7.3 恢复

SCR导通后，将保持导通状态。故障排除后，要重新开机，必须按一下SF按钮，将SCR电流旁路，恢复关断，然后放手即可;或是将激光电源完全关闭，之后重新开机。

8 操作控制电路

操作控制电路如图8所示。该电路仅采用一块SN7405六反相器集成电路，就可以制作出激光电源操作控制电路，凸显出环节的简捷精炼。

8.1 水保护(端子P)

8.1.1 无水流工况

水保护端子P与激光管冷却水驱动的一组触点连接在一起(图中未示出)：无流水时，触点处于常开状态，+5V电压经R37加在N7D的9脚上，即反相器N7D输入端9脚高电平，输出端8脚与5脚、3脚同处低电平，6脚和4脚高电平。SN7405六反相器的输出端采用晶体管集电极开路形式，所谓高电平也就是输出晶体管截止，图6中的脉宽调制器N6中的基准电源+5V(13M14脚)不经R33和R34分流分压，就直接通过R32加到自身的误差放大器同相输入端1脚上，相当于反馈电压已达最大值(5V)，此时即使进行开光触发操作(N7A的2脚呈低电平，6脚的高电平不受影响)，N6也无输出脉宽。

8.1.2 正常工况

冷却水正常流动后，水流常开触点闭合，即将P端接地，6脚、4脚转低电平(低于0.8V)，经R34分压，在图6电路中N6-1脚上电压降低到约2V。该误差放大器外围电阻接成反相输入放大器的形式，放大倍数为1，实施开光触发操作(N6-4为低电平时)和光功率控制操作之后，即进入正常运行。

8.1.3 运行中激光管冷却水流突然中断

机器运行中，若激光管冷却水突然中断，就会立即出现8.1.1节中情况，N6输出脉宽立即截止，有效实施了无冷却水保护。

8.1.4 N6-1脚是过电流和过电压信号的反馈端，也是有无水流的信号反馈端

水保护功能的实现，是通过控制图8电路N7的4脚、6脚输出低电平或高电平，来制约图6电路中的N6-1端(N6的1脚，误差放大器的同相输入端)的电平高低，与其它脚无关。

8.2 低电平开光触发(端子L)

8.2.1 开光之前的状态

反相器N7F输入端13脚，因通过R39与+5V电源连通，处高电平作用下，输出端12脚就呈低电平，N7A反相器也就输入低电平，输出端2脚就呈高电平——该脚又与图6中N6的死区控制端4脚直通，将脉宽调制器N6锁定在截止状态。

8.2.2 开光

开光触发可以采用低电平触发，即将图8中L端(N7的10脚和13脚)置零，12脚输出高电平，2脚输出低电平(2脚与4脚、6脚之间置有R36，无功能上的影响)，即将脉宽调制器的死区控制端置于最小值，调节光功率控制端电平，即可控制输出光功率的大小。

8.3 高电平开光触发(端子H)

开光触发也可以采用高电平触发，即将图8中H端(N7的11脚)置高电平，就会得出同8.2节一样的结果，区别仅仅就是：高电平的触发输入端比低电平触发多了一个反相器N7E，别无二致。

8.4 光功率控制(端子IN，通过R29连通N6-2脚)

8.4.1 N6-2脚控制光功率

光功率控制端子与上述各端子同处电源箱的同一端子板上，但通过R29与脉宽调制器的2脚相连(见图6上的N6)，是其内部的误差放大器的反相输入端，反相输入端的电压值升高就能提高输出光功率。光功率控制也就是6.3节的脉宽控制。

8.4.2 输出端开路时将失控

当输出端开路时，在没有开路保护的情况下，即使光功率控制端IN未设定控制信号，高压输出端也会有很高电压出现，虽然不是最大脉宽，仍有可能对自身或周边电子电气设备构成威胁。[p]

8.5 试验按钮SS

8.5.1 一按就知好坏

机器正式运行前，常常要检测一下电源有无故障，因此特设了试验按钮SS，无需费力地去一一查找，只要一按SS就能知道电路的正常与否。

8.5.2 模拟有水流

按下SS，水保护端P通过SS最下层的触点接地，即人为地模拟了水保护系统的完好状态。

8.5.3 同时也开光

与此同时，SS中层的闭合触点也接地，即将N7E的10脚与N7F的13脚一同接地，相当于高或低电平开光触发，若电源电路正常，此时的一按就能如常开光。

8.5.4 不能长时按

松开SS，停止出光。因为水保护是模拟的，并无实际冷却水，所以按钮不能长时间按着，以免激光管发热受损。

9 结束语

本文对该激光电源各个环节的浅析，实为抛砖引玉——期望借助资深人士之智谋和经验，将激光电源不断推向更高层次;同时，也愿此举能有助于业内人士了解多些的电路及其日常维修。

参考文献

[1] TL494的中文数据手册资料 - 摩托罗拉公司

[2] 陈本竹 玻璃放电管在预防地线断缺事故中的应用 《电工电气》2010年09期

[3] 陈本竹 高压负极采样实现CO2激光电源开路保护《电源世界》2010年11期

作者简介

陈本竹(1938年—)，男，汉族，山东省龙口市人，中专，退休工程师，自由投稿人，稿件内容多涉及电子电源技术。