Vol. 44 No. 2Apr. 2021
第44卷第2期2021年4月
电子器件
Chinese Journal of ElccLmn Devices
Research on a Multi-Branch Micro-Second Laser Drive
Power and Control Technology for Laser Cleaning *
LIU Jinan 1 .ZHENG Hua 2,SUN Yanhe 1 .FANG Yuan 3,
TIE Jun 1 .FAN Chunyu' .ZHANG Chengbing 4*
(1. China National Network Liaoning Electric Power Co. ,Ltd.. Overhaul Branch , Shenyang Liaoning 110000, China ；
2.North China Electric Power University ,Bei/ing 102206, China ；
3. Shenyang Economic and Technological Development Zone Thermal Power Co. , Ltd. .Shenyang L i aoning 110000, China ；
4. Bei/ing Zhongke Chuangshi Technology Development Co. . Ltd. Bei/ing 100084, China )
Abstract :In laser cleaning technology 」。solve Lhe problem of poor effect of cleaning using a single laser .a multi branch micro-second laser drive power is developed . In terms of hardware . the driver power adopts time division
multiplexing( TDM ) control technology to make the drive current of each branch staggering in time . so as to achieve no effect among each branch. In terms of software . piecewise fitting of MOSFET transmission characteristic data is
used to improve the linearity of driving current. The performance test shows that the linearity of driving current is better than 99.97%. the long-term stability is better than 4xl0_5. and the laser drive power has the ability to drive
four different wavelengths of mid-infrared quantum cascade lasers. Finally . using it to clean corroded galvanized steel . the effect of derusting is basically achieved . and the feasibility of its application in practice is verified .
Key words : laser cleaning ； multi-branch micro-second ; laser driving circuit ; time division multiplexing ； segmentation fitting ； mid-infrared QCL
EEACC ：4320 doi : 10・3969/j ・issn .1005-9490・2021・02・013
刘继男打郑 华2，孙艳鹤打方媛3，铁军打范纯钰打张成兵4*
(1.国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁沈阳110000；2.华北电力大学，北京102206；
3.沈阳经济技术开发区热电有限公司，辽宁沈阳110000；
4.北京中科创世科技发展有限公司，北京100084)
摘要：在激光清洗技术中，为了解决采用单一激光器清洗效果不佳的问题，研制了一种多支路微秒级激光器驱动电源。在
硬件方面，该驱动电源采用时分复用控制技术，使各支路的驱动电流在时间上错开，达到互不影响的 效果。在软件方面，对
MOSFET 传输特性数据进行分段拟合，提升了驱动电流线性度。通过性能测试实验表明，驱动电流线性度优于99.97%，长期
稳定度优于4X10-5，具备驱动4种不同波长的中红外量子级联激光器的能力。最后，利用其对腐蚀的镀锌钢材料进行清洗测 试，基本达到除锈的效果，验证其在实际应用的可行性。
关键词：激光清洗；多支路微秒级；激光器驱动电路；时分复用；分段拟合；中红外QCL
中图分类号:TP271
文献标识码:A 文章编号：1005-9490( 2021) 02-0322-06
激光清洗技术是近十年来飞速发展的一种新型 清洗技术，它以自身的优势和不可替代性，在许多领
域中逐步取代了传统清洗工艺与传统清洗相
比，激光清洗具有非接触、无损伤、清洗效率高、清洁
质量好、绿无污染的优点，是一种绿的清洗方 法。在激光清洗的过程中，激光照射到工件表面，
并
决策天地
与物质发生物理化学作用，剥离基材表面污染物，其
产物可以通过相应的净化装置吸收，不对加工环境
项目来源：国家电网公司科技项目(SGLNJX00YJJS1900393)收稿日期：2020-07-06
强制系统修改日期：2020-08-10
第2期 刘继男，郑 华等：一种用于激光清洗的多支路微秒级激光器驱动电源及控制技术的研究 323
造成影响，已清洗的表面反射大部分激光，不损伤 基材2。
当前，可用于激光清洗的商品化激光器驱动电 源，比较知名的国外公司的产品，如美国Wavelength
公司的QCL 驱动电源、ILXlight 的LDX3200系列驱 动电源等，它们都具有窄脉冲、大电流的驱动能力
（驱动脉冲窄至1 as，驱动电流高至10A ）⑶。但是
它们均只能驱动单只激光器，不具备多支激光器驱
动能力。国内激光器驱动电源的科研单位以吉林大
学、安徽光机所等为代表［4'5： o 它们研制的驱动电
源也不具备多支驱动能力。
由于被清洗对象的种类繁多，单只激光器难以
达到较好的清洗效果，所以研制一种能够同时驱动
多支激光器的驱动电源成为亟需。采用时分复用控 制技术，研制了一种新型多支路微秒级激光器驱动
电源。既测试其驱动能力，也验证了其除锈的效果，
证明其在实际应用中的可行性。
1驱动电原硬件系统设计
多支路微秒级激光器驱动电源的硬件系统由以
下5部分组成，分别为激光器时分复用信号产生模
块、控制模块、高速脉冲产生模块、恒流源模块以及
保护电路模块组成，如图1所示。
Laser
过流保护
Laser
控制信号
激光器时分复用
信号产生模块
木马制作I 高速
_n_
脉冲脉冲信胃
〔模块
多支激光器
JL P —驱动脉冲j
恒流源模块
数模转换模拟开关高速运放
保护电路模块
控制模块
图1系统组成框图
图1中，采用美国TI 公司浮点型32位数字信
号处理芯片（TMS320LF28335）作为控制模块核心。
高速脉冲产生模块能够产生信号周期、脉冲宽度和 脉冲幅值均可调的驱动信号。时分复用信号产生模
块基于“时分复用”技术⑹，使各个驱动支路的驱动
电流在时间上错开，达到各支路驱动电流互不影响
的效果。压控恒流源模块采用运算放大器线性负反 馈原理，通过调节运算放大器同相端电压实现对激
光器驱动电流的控制。系统还包含保护电路模块,
采用在激光器两端并联瞬态抑制二极管防止因驱动
电流过大导致的击穿，以及采用静电屏蔽罩将激光
器封闭防止因静电给激光器带来不可恢复的损坏。
软件设计方面，对MOSFET 传输特性数据进行分段
拟合，进一步提升输出电流线性度指标。
1.1控制模块
控制模块采用美国德州仪器公司的32位浮点
数字信号处理器TMS320LF28335，其主要功能如 下：（1）产生高速脉宽宽度调制（PWM ）信号。（2）
驱动数模转换器（DAC ）产生高精度模拟信号。（3）
控制激光器时分复用信号产生模块。
根据上述3项功能，具体实现如下：（1）采用 TMS320LF28335内部事件管理器，根据驱动电流需
求，可实现TTL 电平输出的PWM 信号。（2）
TMS320LF28335通过SPI 接口与16位数模转换器
LTC1655通信，实现数字信号到模拟信号的转换。 （3）TMS320LF28335通过内部GPIO 接口，实现对激
光器时分复用信号产生模块的控制。1.2高速脉冲产生模块
高速脉冲产生模块能够产生信号周期、脉冲宽
度和脉冲幅值均可调的驱动信号。核心控制器
TMS320LF28335控制16位DAC 产生幅值可调的电
压信号输入给模拟开关，作为一路信号。模拟开关
另外一路信号接地。核心控制器TMS320LF28335 产生周期和占空比可调的PWM 波高速切换模拟开 关2路输入信号。由于模拟开关输出电压有限，采
用放大电路对其输出信号进行放大，从而输出信号 周期、脉冲宽度和脉冲幅值均可调的驱动信号。
图2高速脉冲产生模块
1.3时分复用信号产生模块
该模块基于“时分复用”技术，使各个驱动支路
的驱动电流在时间上错开，达到各支路驱动电流互
不影响的效果。
由于对多支激光器驱动各个支路采用高边 MOSFET 时分复用切换方式⑺，所以需要对其进行
驱动。时分复用信号产生模块如图3所示，采用 DC/DC 隔离电源模块为MOSFET 驱动芯片IR2117
提供隔离电压。控制信号通过芯片IR2117实现对 MOSFET （ 高边） 控制 ， 达到对多支激光器驱动支路
的开启/关断控制
。
324
电子器件第44卷
隔离变压
图3单支路时分复用信号产生模块
1・4压控恒流源模块
压控恒流源模块采用深度线性负反馈原理，利用 输入电压来控制驱动电流，其原理框图如图4所示。
重要指标。如前文所述，压控恒流源采用线性负反馈
原理，有效地降低了 MOSFET 的非线性度卩⑹。但是 由于MOSFET 传输特性呈非线性，使得驱动电源仍存
在非线性误差。所以在软件设计方面，对MOSFET 传
输特性数据进行分段拟合，利用分段拟合函数对驱动 电源输出特性进行补偿，整体上构成二阶非线性矫
正，从而进一步提升输出电流线性度指标。
首先将MOSFET 连续特性曲线分离成离散的
数据，再将MOSFET 特性曲线分段化，利用4种函数
模型将离散数据进行高精度拟合。4种函数模型分
别为Lorentz 函数‘Logistic 函数，二阶多项式函数和 E 指数函数，如表1所示。
表1分段拟合函数及拟合度
-0.012 63 +
拟合函数
拟合度
V gs W 4.25
式（1）0.99
4.25 W y GS W4.35式(2)0.974.35 W V GS W 4.47式(3)0.984.470 W V gs
式(4)
0.99
__________0.020 01__________4吃S -34.366 24F GS +73.824 48
I d
I d 二 2.176 71-
279.243 47
y
\
60.596 26
3. 877 76丿
I d 二-134.497 63+56.906 67F GS -5. 873 02y ：S (1)(2)
(3)图4恒流源模块原理框图
由于运算放大器反向输入端输入阻抗无穷
大，激光器驱动支路电流全部经过采样电阻R 2流入
地。R 2产生电压需与运算放大器同相端脉冲输 入电压保持一致（虚短），微小电压差经过运算放大
器放大后驱动MOSFET （ G ），从而通过调节脉
酱油桶
冲输入电压的幅值实现对驱动电流的控制。快速恢
复二极管0和电阻R 1，组成&结电容快速充电与
放电回路，加快驱动信号的上升/下降沿。
1・5保护电路模块设计
保护电路模块主要防止激光器因驱动电流过大 或者瞬间静电导致的不可恢复的损坏⑻。针对驱
动电流过大，采用在激光器两端并联瞬态抑制二极
管，当驱动电流过大时，瞬态抑制二极管导通，对激
光器进行保护。对于瞬态静电方面，采用静电屏蔽 罩将激光器封闭，避免静电损坏激光器。
I d = EXP (18.597 86-9.010 45F GS + 1. 131 42^G s ) (4)
式中：i d 为漏极电流;y GS 为栅源电压。
对MOSFET 传输特性数据进行分段拟合结果
如图 5 所示。
3.53.0
2.5
2驱动电源软件系统设计
5
2.0
1.5
1.0
0.5
- Measured raw data
y- Exponential fitting
—
Lorentz fitting j- Logistic fitting
Second-order fitting
/
备.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
图5 MOSFET 特性曲线拟合
电压VGS 从低压到高压来看。在低电压段，采
用洛伦兹拟合。在中间电压段分别采用逻辑回归拟 合和二阶多项式拟合。在高电压段采用E 指数拟
合。各分段拟合具有极高的拟合度，最大拟合度达
到99% ，平均拟合度达到98.25%。
3驱动电源性能测试
由于驱动电源输出电流线性度是衡量其性能的
根据上述驱动电源在硬件和软件方面设计，
研
第2期刘继男，郑华等：一种用于激光清洗的多支路微秒级激光器驱动电源及控制技术的研究325
半夏去皮机
制的驱动电源达到以下技术指标：驱动电流幅值0〜3A，驱动电流周期0~200rs，占空比0〜100%，线性度99.97%，长期稳定度优于4x10-5。
实验中，对研制驱动电源的驱动电流波形、驱动电流线性度、驱动电流稳定度以及阵列中红外量子级联激光器（QCL）发光光谱进行了测试。
3.1驱动电流波形
预设驱动电流为2A，各支路驱动电流周期为200rs，占空比为1%。4只QCL激光器驱动波形如图6所示。
图6驱动电流波形图
图6中，圆圈部分为QCL驱动电流的放大图，脉冲宽度为2rs o结果显示,4条支路驱动电流未发生串扰现象，驱动性能良好。
3.2驱动电流线性度
由于研制的驱动电源核心部分为压控恒流源模块，其驱动电流与输入电压成线性关系。为了对驱动电源线性度进行分析，实验采用调节压控恒流源输入电压，测量QCL驱动电流值。通过实验测量离散数据进行线性拟合，得到二者关系曲线如图7所示。
图7驱动电源系统线性度实验曲线
实验中，输入电压幅值范围从0V至9V，驱动 电流幅值范围为0A至3A，对离散数据进行线性拟合，二者成线性关系，线性度达到99.97%o同时，预设电流目标值与驱动电流实际输出值的最大偏差为0.873mA，相对偏差仅为0.04%。
3.3驱动电流稳定度
为了验证研制的驱动电源对不同阻抗负载的驱动能力，采用与中红外QCL激光器特性一致的假负载（阻值范围为1Q〜10Q）作为被驱动对象。设置目标驱动电流为2A，对驱动电源驱动特性进行了测试，结果如图8所示。
2.00045
2.00044
2.00043
—■—Measured raw data
Equivalent resistance/Q
图8假负载测试结果
实验结果显示，对于驱动不同阻值的假负载（1Q〜10Q），驱动电流波动范围小，驱动电流均值（期望）为2.000435A，与均值偏差最大的驱动电流值为2.000439A，驱动电流稳定度可达到4xl0-5。
3.4阵列QCL发光光谱测试
为了验证研制的多支路QCL驱动电源在实际应用中的可行性，采用4支中红外QCL激光器作为被驱动对象（4.8Rm、7.49Rm、7.71Rm A10.7Rm），进行了驱动测试。采用傅里叶变换红外光谱仪（Thermo Scientific Nicolet iS10）对其激射光谱进行测量，结果图9所示。
Wavelength/|im
图9四路QCL发光光谱图
实验表明,4支中红外QCL激光器在一定工作温度下，各自能够激射出各自所在中心波长的光谱。并且4个支路之间没有交叉影响，各红外QCL激光器均能正常工作，证明研制的驱动电源实际应用可行性。
3.5除锈清洗试验
图10所示为激光清洗系统示意图，包括激光器驱动电源、中心波长为10.7Rm的QCL激光器、红外激光专用的光束调整传输单元（包括扩束系统、振镜扫描系统和扫描聚焦系统）、监测保护装置以及位移平台单元。
激光清洗过程如图11所示。利用研制的激光器电源驱动10.7Rm的QCL激光器对镀锌钢材料
326电子器件第44卷
的腐蚀层进行照射。待照射一段时间后，腐蚀层会发生气化分解，最终将腐蚀层从基底镀锌钢材料剥离，达到清洗效果。
图10激光清洗系统
当激光功率较小时，样件清洗前后没有明显变化，因为激光功率较小，单位脉冲能量密度较低，使得激光束扫在样件材料表面的温度太低，不能对腐蚀物造成影响。当激光功率继续增大到6W时，样件表面开始出现融化痕迹，污染物开始有效去除，在基体表面留下微细的激光划痕。
4结束语
针对激光清洗技术，提出激光器驱动电源应具备驱动多支激光器能力的需求。采用时分复用控制技术，研制了一种新型多支路微秒级激光器驱动电源。通过性能测试实验表明，驱动电流线性度优于99.97%，长期稳定度优于4x10-5，具备驱动4种不同波长的中红外量子级联激光器的能力。最后，利用其对腐蚀的镀锌钢材料进行清洗测试，基本达到除锈的效果，验证其在实际应用的可行性。
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维夫饼干
刘继男(1985-)，男，汉族，辽宁人，国网辽宁省电力有限公司检修分公司，工程师，本科，主要从事电力系统及其自动化方面的工作，liujinan_gwlndl@ 163；郑华(1971—)，男，汉族，河北人，华北电力大学电气与电子工程学院，副教授，主要从事大数据分析、能源互联网方面的工作
；
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