eng
Выпуск #1/2016
А.Р.Гайосо де лос Сантос, З.Павлова, А.Темников, А.Федоров
Линейка OEM-драйверов питания лазерных диодов
Линейка OEM-драйверов питания лазерных диодов
Просмотры: 3732
Российский лазерный рынок достаточно серьезно отличается от международного. Позиции лазеров для научных исследований и вооружений куда серьезнее. Рассмотрен опыт выхода отечественной продукции на международный лазерный рынок.
С
огласно исследовательскому отчету, опубликованному MarketsandMarkets, общая доля рынка лазерных диодов ожидается на уровне 11,94 млрд. долларов USD к 2020 году, со средним годовым темпом роста около 13,0% в период между 2015 и 2020 годами. Отмечается расширение сферы применения лазерных диодов в таких сферах, как передача данных и оптические запоминающие устройства, промышленность, медицина, военная и оборонная отрасли, приборостроение и других.
Сложившаяся тенденция на рынке обусловливает необходимость обеспечения потребностей, в первую очередь, производителей лазерных систем, а не научных лабораторий. Диаграмма Laser Focus World 2011, в которой лазеры разбиты по применениям, отдает рынку научных исследований и разработок только 5% общего рынка лазерного оборудования. Обновленный отчет журнала за 2015 год не дает процентного соотношения, но мы видим приблизительно то же соотношение (рис.1). Безусловно, доля научных исследований и военно-промышленного комплекса (ВПК) выросла по сравнению с 2011 годом, но это происходит не за счет изменения тенденций рынка, а за счет появления нескольких крупных оборонных проектов, таких как Common Infrared Countermeasure (CIRCM) program, в котором принимает участие компания Northrop Grumman.
Надо отметить, что российский рынок достаточно серьезно отличается от международного. Позиции лазеров для научных исследований и вооружений здесь куда серьезнее. При выходе на международный рынок компания ФЕДАЛ столкнулась с этими различиями. В результате перед компанией возникла первоочередная задача: необходимость компактного встраиваемого решения для рынка производителей твердотельных лазерных систем для промышленности, медицины и бортовых применений. Основными предъявляемыми требованиями к диодным драйверам помимо компактности являются простота интеграции, надежность и высокий КПД.
Повышенные требования к компактности и надежности потребовали перехода к современным схемотехническим решениям с частотами преобразований от 0,5 до 2 МГц. Это позволило уменьшить габариты фильтрующих элементов и применить новые подходы в алгоритмах управления драйверами.
Также за счет применения многослойных печатных плат удалось существенно увеличить плотность компоновки и уменьшить паразитные взаимовлияния элементов схемы, что способствовало повышению стабильности в работе изделия и оптимизации теплового режима работы за счет равномерного распределения тепла по всему объему изделия. При проектировании линейки диодных драйверов был применен тепловой расчет изделия для получения оптимального отвода тепла (рис.2). Это решение принципиально важно для изделий с высокой плотностью мощности.
Применение алюминиевого основания для отвода тепла позволяет легко осуществить монтаж драйвера на радиатор с воздушным охлаждением, плиту водяного охлаждения или на стенку теплоемкого корпуса изделия, обеспечив стабильный и надежный теплосъем.
В линейку драйверов (см. таблицу) входят импульсные (QCW, Pulse) (SF6015, SF6045) и непрерывные модели (CW) (SF6035, SF6070, SF6100) (рис.3).
При разработке импульсных (QCW) драйверов использовался принцип частичного разряда емкостного накопителя энергии, хорошо зарекомендовавший себя в источниках питания серии SF3XX. Использование этого принципа для питания лазерных диодов подробнее описано в статье А.Р.Гайоса и других[1].
Рынок непрерывных (CW) драйверов был новым для компании, поэтому при разработке непрерывных драйверов учитывались потребности контрольной группы заказчиков, в результате чего были предложены решения для повышения унификации. Драйвер обладает как аналоговым, так и цифровым управлением и поддерживает протокол обмена командами RS232 в двух форматах (шестнадцатеричном и текстовом). В ближайшее время компания планирует разработать библиотеку SDK. В комплекте поставки предоставляется программа, разработанная в среде LabVIEW. Драйвер позволяет использовать широкий диапазон входных напряжений.
Собственные технологические решения позволили добиться высокой плотности мощности – 9 Вт на 1 кубический сантиметр. Драйверы обеспечивают безопасную и долговечную работу лазерного диода. Пульсации тока не превышают 0,2%, что предотвращает преждевременную деградацию гетероструктур лазерных диодов. Высокая точность установки тока позволяет правильно подобрать режим работы лазерной системы. В драйверах реализован мягкий запуск, который обеспечивает гарантированное отсутствие перерегулирования и малый dI/dt (рис.4). Выбранная скорость нарастания тока исключает локальный перегрев внутри кристалла лазерного диода, что существенно продлевает их срок службы и стабильность излучения.
В драйверах реализован ряд встроенных защит, обеспечивающих безопасность ЛД. Обратный диод (reverse diode) защищает нагрузку от возникновения обратного тока и исключает возникновение обратного напряжения на выходе драйвера. Встроенная защита по току (over current protection) обеспечивает безопасную работу ЛД в допустимой для него области токов. При срабатывании защиты по току генерация прекращается, а выходные клеммы шунтируются. Защитное шунтирование выходных клемм позволяет обезопасить нагрузку даже в случае выхода из строя компонентов драйвера. Двухпороговая защита по температуре позволяет защитить схемы драйвера от выхода из строя при недостаточном охлаждении. При достижении первого температурного порога подается сигнал и выставляется флаг, предупреждающий о наличии перегрева. При достижении температурой второго порога срабатывает защита и драйвер отключается.
В результате проведенных работ компания ФЕДАЛ подготовила к выводу на рынок полноценную линейку OEM-драйверов питания лазерных диодов. Линейка была впервые презентована европейским дистрибьютором RedWave Labs на выставке Laser world of photonics 2015. На данный момент реализованы пробные поставки. Драйверы линейки SF6XXX могут найти широкое применение в лазерных комплексах по материалообработке (маркировка, резка, сварка, прошивка отверстий, пайка), медицинском оборудовании, измерительных приборах (дальномерах, лидарах, спектрометрах).
[1] Гайосо де лос Сантос А.Р., Павлова З.С., Темников А.О., Федоров А.В. Источники питания твердотельных лазеров с диодной накачкой. – Фотоника, 2013, № 1 (37).
огласно исследовательскому отчету, опубликованному MarketsandMarkets, общая доля рынка лазерных диодов ожидается на уровне 11,94 млрд. долларов USD к 2020 году, со средним годовым темпом роста около 13,0% в период между 2015 и 2020 годами. Отмечается расширение сферы применения лазерных диодов в таких сферах, как передача данных и оптические запоминающие устройства, промышленность, медицина, военная и оборонная отрасли, приборостроение и других.
Сложившаяся тенденция на рынке обусловливает необходимость обеспечения потребностей, в первую очередь, производителей лазерных систем, а не научных лабораторий. Диаграмма Laser Focus World 2011, в которой лазеры разбиты по применениям, отдает рынку научных исследований и разработок только 5% общего рынка лазерного оборудования. Обновленный отчет журнала за 2015 год не дает процентного соотношения, но мы видим приблизительно то же соотношение (рис.1). Безусловно, доля научных исследований и военно-промышленного комплекса (ВПК) выросла по сравнению с 2011 годом, но это происходит не за счет изменения тенденций рынка, а за счет появления нескольких крупных оборонных проектов, таких как Common Infrared Countermeasure (CIRCM) program, в котором принимает участие компания Northrop Grumman.
Надо отметить, что российский рынок достаточно серьезно отличается от международного. Позиции лазеров для научных исследований и вооружений здесь куда серьезнее. При выходе на международный рынок компания ФЕДАЛ столкнулась с этими различиями. В результате перед компанией возникла первоочередная задача: необходимость компактного встраиваемого решения для рынка производителей твердотельных лазерных систем для промышленности, медицины и бортовых применений. Основными предъявляемыми требованиями к диодным драйверам помимо компактности являются простота интеграции, надежность и высокий КПД.
Повышенные требования к компактности и надежности потребовали перехода к современным схемотехническим решениям с частотами преобразований от 0,5 до 2 МГц. Это позволило уменьшить габариты фильтрующих элементов и применить новые подходы в алгоритмах управления драйверами.
Также за счет применения многослойных печатных плат удалось существенно увеличить плотность компоновки и уменьшить паразитные взаимовлияния элементов схемы, что способствовало повышению стабильности в работе изделия и оптимизации теплового режима работы за счет равномерного распределения тепла по всему объему изделия. При проектировании линейки диодных драйверов был применен тепловой расчет изделия для получения оптимального отвода тепла (рис.2). Это решение принципиально важно для изделий с высокой плотностью мощности.
Применение алюминиевого основания для отвода тепла позволяет легко осуществить монтаж драйвера на радиатор с воздушным охлаждением, плиту водяного охлаждения или на стенку теплоемкого корпуса изделия, обеспечив стабильный и надежный теплосъем.
В линейку драйверов (см. таблицу) входят импульсные (QCW, Pulse) (SF6015, SF6045) и непрерывные модели (CW) (SF6035, SF6070, SF6100) (рис.3).
При разработке импульсных (QCW) драйверов использовался принцип частичного разряда емкостного накопителя энергии, хорошо зарекомендовавший себя в источниках питания серии SF3XX. Использование этого принципа для питания лазерных диодов подробнее описано в статье А.Р.Гайоса и других[1].
Рынок непрерывных (CW) драйверов был новым для компании, поэтому при разработке непрерывных драйверов учитывались потребности контрольной группы заказчиков, в результате чего были предложены решения для повышения унификации. Драйвер обладает как аналоговым, так и цифровым управлением и поддерживает протокол обмена командами RS232 в двух форматах (шестнадцатеричном и текстовом). В ближайшее время компания планирует разработать библиотеку SDK. В комплекте поставки предоставляется программа, разработанная в среде LabVIEW. Драйвер позволяет использовать широкий диапазон входных напряжений.
Собственные технологические решения позволили добиться высокой плотности мощности – 9 Вт на 1 кубический сантиметр. Драйверы обеспечивают безопасную и долговечную работу лазерного диода. Пульсации тока не превышают 0,2%, что предотвращает преждевременную деградацию гетероструктур лазерных диодов. Высокая точность установки тока позволяет правильно подобрать режим работы лазерной системы. В драйверах реализован мягкий запуск, который обеспечивает гарантированное отсутствие перерегулирования и малый dI/dt (рис.4). Выбранная скорость нарастания тока исключает локальный перегрев внутри кристалла лазерного диода, что существенно продлевает их срок службы и стабильность излучения.
В драйверах реализован ряд встроенных защит, обеспечивающих безопасность ЛД. Обратный диод (reverse diode) защищает нагрузку от возникновения обратного тока и исключает возникновение обратного напряжения на выходе драйвера. Встроенная защита по току (over current protection) обеспечивает безопасную работу ЛД в допустимой для него области токов. При срабатывании защиты по току генерация прекращается, а выходные клеммы шунтируются. Защитное шунтирование выходных клемм позволяет обезопасить нагрузку даже в случае выхода из строя компонентов драйвера. Двухпороговая защита по температуре позволяет защитить схемы драйвера от выхода из строя при недостаточном охлаждении. При достижении первого температурного порога подается сигнал и выставляется флаг, предупреждающий о наличии перегрева. При достижении температурой второго порога срабатывает защита и драйвер отключается.
В результате проведенных работ компания ФЕДАЛ подготовила к выводу на рынок полноценную линейку OEM-драйверов питания лазерных диодов. Линейка была впервые презентована европейским дистрибьютором RedWave Labs на выставке Laser world of photonics 2015. На данный момент реализованы пробные поставки. Драйверы линейки SF6XXX могут найти широкое применение в лазерных комплексах по материалообработке (маркировка, резка, сварка, прошивка отверстий, пайка), медицинском оборудовании, измерительных приборах (дальномерах, лидарах, спектрометрах).
[1] Гайосо де лос Сантос А.Р., Павлова З.С., Темников А.О., Федоров А.В. Источники питания твердотельных лазеров с диодной накачкой. – Фотоника, 2013, № 1 (37).
Отзывы читателей
