Q开关电源使用说明书.doc

声光Q开关电源使用说明书

（适用于QSD5027、QSD7527）

桂林市飞鹰激光应用技术有限公司

欢迎您使用我公司生产的QSD系列Q开关电源。

在使用QSD系列Q开关电源之前，请您务必仔细阅读本使用手册。
本手册适用于QSD系列标准产品。对于用户有特殊要求的特制产品，请仔细阅读手册中另附的特别说明。
请您打开包装箱，核对随机附件。
电源线 一根
15芯计算机针式插头 一只
Q9插头 一套

目 录
一、简介 1
1．概述 1
2．型号说明 2
3．主要性能和技术指标 2
二、工作原理及结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3
1. Q开关元件结构及工作原理 3
1．1．结构 3
1．2．Q开关关断激光原理 3
1．3. Q开关进行Q调制 5
1．4．Q开关的等效阻抗 6
2．Q电源结构与原理 6
2．1．开关电源及射频功率的调节 7
2．2．射频单元 7
2．3．主控单元 8
2．3．1．控制电源 8
2．3．2．控制方式 8
2．3．3．调制脉冲及出光控制有效电平的设置 12
2. 3. 4. 保护逻辑 12
2．3．4．1．超温保护…………… ……… ….12
2．3．4．2．外控保护………………………….12
2．3．4．3．反射保护…………… ………….13
2．4．对外接口 13
2．5．控制面板 17
2．5．1．数显表……………………………… ..17
2．5．2．RUN/STOP指示灯…………………….17
2．5．3．ALARM（报警）指示灯……………..18
2．5．4．TEST（测试）指示灯……………….18
2．5．5．M1、M2、M3 指示灯………………..18
2．5．6．按键说明…………………………….18
2．5．7．电源开关…………………………….20
三、电源与Q开关元件的阻抗匹配 20
四、安装及操作说明 21
1．安装条件 21
2．电气安装连线 21
3．操作流程说明 23
五、异常现象释疑…………………………………………. .. 23
附图…………… ………………………………………………26

IV

QSD系列Q开关电源用户手册

一、简介
1．概述
QSD系列Q开关电源是针对不同的应用领域精心设计的高品质的声光Q开关（Acousto-Otipc Q-switch）驱动电源。它能接受外部的控制信号，产生相应的射频信号并施加到Q开关元件进行激光有无控制及波形调制。电源包括QSD5027，QSD7527等型号，可驱动电气参数相匹配的不同厂家的声光Q开关元件。以专业电力电子制造商的优势，凭借着独特的控制方式和调试技术，QSD系列Q开关电源性能稳定，工作可靠性高，多项技术指标达到或超过国外同类产品水平。
电源输出射频功率稳定，输出波形失真很小，驱动电气相匹配Q开关元件时，驻波比非常小。电源内集成了功能强大的多种控制方式，还有功能完善和配置方便的外部接口。因而，能兼容各类常用电源，具有极强的通用性。
电源的M1控制方式具有独特的首脉冲抑制功能，它能缓慢地“打开”Q开关，有效地抑制第一个调制脉冲释放的峰值功率，消除标刻加工中常见的俗称为“火柴头”现象，使每一个标刻点的深度更均匀。
电源配置有独特的测试功能，能脱离上位机独立地工作，这使得对光路的测试和调整更方便。
同时，电源结构紧凑，外形美观大方。诸多优点使得它广泛应用于激光标刻，激光医疗设备及其它激光加工领域。
2．型号说明
QSD5027 X X X X
供电方式代号
（H：AC220V L：AC110V 默认值为H）
设计序号
谐振频率（如27代表27MHZ）
输出最大功率（如50代表50W）
产品名称代号（QSD系列Q开关电源）
3．主要性能和技术指标
1） 输出最大射频功率
QSD5027 X X X X :50W。如有特殊要求,请在订货时说明。
2） 驻波比小于： 1.3 。
3） 输入电网电压可选：(订货时声明)
AC220V ±15% 或 AC110V ±15% 。
4） 接受标准TTL电平作出光控制信号，出光有效电平(高/低)可设定。
5） M1，M2，M3三种控制方式可选择。
6） 调制脉冲可由内部产生或外部输入，调制脉冲重复频率和释放时间可调。
7） 机内有过热保护、射频输出端短路/开路保护、外控保护等功能，有一报警信号输出到外控口。
8） 射频输出包络线上升时间小于700纳秒，下降时间小于120纳秒。
二、工作原理及结构
1. Q开关元件结构及工作原理
1．1．结构

Q开关元件主要由石英晶体，压电换能器，阻抗匹配元件，射频插座和壳体组成。（如图一）
图一 Q开关元件结构示意图
1．2．Q开关关断激光原理
Q开关是激光光学系统中一个重要光学元件，它通过阻断或不阻断光的谐振通道来抑制或允许激光脉冲产生。（参阅图二）。
在不给压电换能器施加射频信号时，Q开关的石英晶体保持其原有的常规特性，由宝石棒发射出来的平行光直接透过石英晶体,经后反光镜反射再穿过石英晶体，返回宝石棒，形成正常的谐振，允许激光输出。一旦给压电换能器施加射频信号,
压电换能器在石英晶体内产生超声波，超声波压迫石英晶体使它原有的特性发生变化，透过石英晶体的光线的折射角度亦发生变化，经后反光镜反射回的光线将偏离宝石棒，谐振终止。由于激发光线返回宝石棒是激发激光的必要条件，因此，给压电换能器施加和撤除射频信号，可以是关断和允许激光的输出，参阅图三。
图二 Q开关工作机理示意图
图三 典型出光控制示意图（低电平出光）

1．3. Q开关进行Q调制
施加射频信号期间，激发激光进程停止，此时宝石棒仍然受泵浦光源的照射，继续吸收并储存能量，因而其中积累了大量能量。一旦撤除射频信号，光路谐振通道回复，激光器将在短时间内释放出峰值功率巨大的激光脉冲（参阅图四）。在出光期间，有目的地给Q开关元件施加上一系列射频脉冲群，周期性的关断和释放激光，是从平均功率相对低的激光器中获得脉宽窄、峰值高的激光脉冲的绝妙手段。这种波形控制方式通常称为Q调制。

图四 典型Q调制控制方式示意图
1．4．Q开关的等效阻抗
Q开关元件的等效电气线路如下图。从外部看，Q开关元件可以归结于下图。它的阻抗Z=R+X(L，C，f )j，其中X是电感L和
图五 Q开关的等效阻抗
电容C与频率f的涵数。对于确定的中心频率（通常为27M、40M），调节L或C，总可以使X等于零，于是Z等于R，等效于纯阻性50欧电阻,Q开关元件、传输导线、Q电源三者阻抗一定要匹配，详见2.2。
2．Q电源结构与原理
Q电源是一种驱动Q开关元件工作的专用电源。它根据外部控制信号将相应的射频信号施加到Q开关元件上，完成激光有无控制及波形调制。
Q电源由以下五个部分组成：（参阅图六）
1、 开关电源。
2、 射频单元。
3、 主控单元。
4、 对外接口。
5、 控制面板
图六 Q电源结构框图
2．1．开关电源及输出射频功率的调节
开关电源给射频单元提供电源。开关电源输入电压为AC220V±15%或AC110V±15%（出厂时已配置为其中的一种），一般情况下，用户不应调节开关电源，以免影响射频功率的大小。
2．2．射频单元
为了防止射频干扰泄漏，射频单元密封在一个金属盒里。它产生频率为27MHZ或27.125MHZ的射频信号，并在主控单元的控制下，输出相应射频包络序列波，从而控制Q开关元件的工作。射频单元出现过热、输出端短路或开路时会向主控板发出保护信号使驱动单元动作，无射频信号输出。
射频单元的频率精度很高，波形失真小。因而驱动纯阻性50Ω的Q开关元件时，电气参数匹配得很好，驻波比很小。但是，如果Q开关元件、传输导线的波阻抗与射频单元不匹配，射频反射与驻波比会变大，必须调整Q开关元件的波阻抗使它与电源相匹配，否则，射頻反射过大，将会使电源进入保护。
注意：必需用50欧特性阻抗的同轴电缆连接电源和Q开关元件。
2．3．主控单元
主控单元是电源的控制中枢，包括控制电源、调制脉冲的产生、控制方式及保护逻辑等四部分电路。它接受来自面板和外控接口的信号，控制和保护射率单元的工作，同时，它把电源运行的状态信号输到面板和外控接口。
2．3．1．控制电源
控制电源为一个多组输出的开关电源，它给主控板提供了VCC、+12V、-12V、+5V等工作电源。
2．3．2．控制方式
M1控制方式
M1方式是一种带有Q调制功能和首脉冲抑制的控制方式（参阅图七），通过菜单的P001项可将当前控制方式设定为M1方式。在出光控制信号（图七中为低电平）有效期间，电源输出的射频信号会自动迭加上一串调制脉冲信号进行波形调制。调制脉冲周期为T2，释放时间为T3，首脉冲抑制宽度为T1。其中，T1包括落笔延时Tb及首脉冲缓下降时间Tf两部分（参阅图八）。选择 “数字调制”时，调节面板上的△、▽键即可以改变调脉制冲的重复频率。通过菜单的bXXX项可设定落笔延时Tb， FXXX项可设定首脉冲缓下降时间Tf。通过菜单的dXX项可设定释放时间T3。
图七 M1控制方式（低电平出光）

图八 首脉冲抑制宽度（低电平出光）
在出光控制信号有效之前，射频信号施加了相对长的时间，因而宝石棒内积累了相对多的能量，因此，第一个激光脉冲的峰值功率比后序脉冲的高得多（参阅图四），第一个烧蚀点深度也比后序的深得多，出现俗称“火柴头”的现象。这是传统电源很难解决的问题。
因此，QSD系列电源引入首脉冲抑制功能。从出光控制信号有效的第一个沿起，射频包络线在T1时间内缓慢下降，使Q开关元件缓慢打开，抑制第一个激光脉冲的峰值功率，使首脉冲的峰值功率跟后序脉冲的相等，消除“火柴头”现象，使标刻深度均匀。
释放时间T3在2~20uS范围可调（其中20uS时调制频率最高可到约35.0KHZ）。
出厂默认配置为：T2=5.00KHZ,T3=6Μs,Tb=0,Tf=150μS。
调节T2时，Tb 、Tf、T3不改变。
M2控制方式
M2是一种射频输出信号跟随出光控制信号的控制方式。参阅图八，图中控制信号的出光有效电平为低电平。对于M2方式，射频输出信号快速跟随控制信号。射频包路线上升时间小于700nS，下降时间不大于120nS。

图九 M2方式（低电平出光）
M3控制方式
M3方式是一种较特殊的控制方式。
M3的控制时序见图十，图中出光有效信号设置为低电平。从每一个出光有效信号前沿起，射频信号包络线在T1内缓慢下
图十 M3控制时序图（低电平出光）
降，而后维持于出光状态直至控制信号变为无效电平。控制信号一旦变为有效电平，射频信号迅速出现并维持至控制信号再变为有效电平。M3方式经常应用于塑料和木材等材料的加工场合。
2．3．3．调制脉冲及出光控制有效电平的设置
内部调制脉冲由主控板上的CPU产生。调制脉冲的重复频率（调制频率）可由面板上的△、▽键来改变，又称“数字调制”；也可由外控接口输入电压，线性地调节调制脉冲（参阅图十一及表一）, 又称“模拟调制”，输入电压为5.0V时对应调制频率50.0KHZ。
通过菜单A001~A003项可选择采用“数字调制”或“模拟调制”，选择“低电平有效”或“高电平有效”。具体描述见菜单功能说明。
出厂时默认设置为A003（高电平有效、数字调制）。
2. 3. 4. 保护逻辑
当射频单元内部过热、射频反射较大或外保护接点开路时，保护单元动作出，保护逻辑将封锁射频输出，以保护射频单元的安全。同时报警指示灯（ALARM）亮，向外控口输出报警信号。
2．3．4．1 超温保护
由于某种原因造成电源内部温度升高达到70℃±5℃时，电源自动关断输出，并在外控口输出一TTL低电平保护信号，同时显示故障码E002。

2．3．4．2 外控保护
本机在外控口预留一对外控保护接点（参阅图十一），保护接点短接时，电源正常工作；保护接点断开时，电源工作在保护状态，无射频输出，并在外控口输出一TTL低电平保护信号，同时显示故障码E001。电源配置有外控保护接点。用户可以在Q开关元件上敷设一常闭合型的热敏开关，将热敏开关的常闭触点接到外控保护接点，避免Q开关元件因过热而损坏。
2．3．4．3 反射保护
当本机射频输出口的射频反射较大时(如输出端短路/开路)，射频输出自动关断，并在外控口输出一TTL低电平保护信号，同时显示故障码E004。
2．4．对外接口
电源设有外控接口，接收外部输入信号并向外部输出保护信号，外控接口由一只15芯计算机针式插头引出，外控插头接线方法参考见图十一。

图十一 外控插头接线示意图
外控接口的脚号及定义如下表一：
脚号
定义
说明
8、15
外控接点
8 外控允许+
15 外控允许-
8、15脚短接时，电源正常工作；8、15脚断开时，电源工作在保护状态，无射频输出。

7

ALARM，报警输出信号

正常时，7脚输出TTL高电平，报警时，7脚输出TTL低电平。
1、9
外部调制脉冲输入
1、外调制+
9、外调制-
需外调制脉冲时使用。输入电平为TTL, 用短路片短接主控板上的JP3插针。（不用时可不接）。
3
10
模拟调制脉冲频率外设定接点。
3、模拟电压-
10、模拟电压+
信号幅值为0.02-5.0V，对应频率为：0.20-50.0KHZ。可从3、10脚输入电压。
14
出光控制信号+
计算机的出光控制信号可由14脚、6脚接入，14脚接正，6脚接负，输入为TTL电平。
11、13、
6
外部电源
11 外部电源+
13、6 外部电源-
11、13（/6）脚提供了一组+5V的电源供外控口接线使用。最大输出电流不允许超过150mA。
注：TTL电平：要求高电平为4.5~5.5V, 低电平为0~0.8V。

两种接法举例：
①外控接口接线方式一如图十一a所示。进入功能菜单中,选择任意控制方式P00X(M1、M2或M3)，设置首脉冲抑制宽度FXXX、落笔延时bXXX、释放时间dXX，选择出光有效电平、数字调制/模拟调制为A003，如：P001、b000、F150、d06、A003。面板调制频率设为5.0KHZ。

图十一a：使用面板设置调制频率时的外控接口接线
②外控接口接线方式二如图十一b所示。进入功能菜单中,选择控制方式P001（M1），设置首脉冲抑制宽度FXXX、落笔延时bXXX、释放时间dXX，如：P001、b000、F150、d06。用短路片短接主控板上的JP3插针（具体位置参见附图4），设备将自动接收外控口输入的调制脉冲信号。

图十一b:使用外控口输入调制脉冲时的外控接口接线
2．5．控制面板（如图十二）
图十二 前面板示意图
2．5．1 数显表
4位LED数码显示窗：可显示内部调制频率及菜单选项。
2．5．2 RUN/STOP指示灯
指示运行状态。RUN为运行状态，在此状态下，指示灯亮，电源受外部输入的信号控制，输出相应的射频信号。STOP为锁光状态，此时指示灯灭，电源不受外部输入信号的控制，强制发出“关断”命令（射频全输出），工作在关断状态。此时，电源输出射频功率最大。
2．5．3 ALARM（报警）指示灯
当电源出现过热、反射较大或外保护接点断开时，保护单元动作，报警（ALARM）指示灯亮，此时，无射频信号输出。
2．5．4 TEST（测试）指示灯
当处于测试状态时，指示灯亮；反之，指示灯灭。测试状态下，电源不受外部输入信号的控制，强制性地发出“出光”命令，用户可以在此状态下进行光路的测试与调整。。测试时： M1控制方式下，以当前内部调制脉冲周期输出射频；M2、M3控制方式下，全出光（射频全关断）。如下图所示。
2．5．5 M1、M2、M3指示灯
M1亮，处于M1控制方式；M2亮，处于M2控制方式；M3亮，处于M3控制方式；M1、M2同时亮，处于M4控制方式；M2、M3同时亮，处于M5控制方式。
2．5．6 按键说明
△、▽—内部调制脉冲频率及参数的增、减键。用这两个键可在RUN、STOP、TEST状态下改变调制脉冲的重复频率。频率在0.20KHZ~50.0KHZ的范围可调。进入菜单选项后，用这两个键可改变参数及选项的设置。
SELECT—菜单选择键。在STOP（锁光）或TEST（测试）状态下按此键可进入功能菜单。进入菜单状态后，有下列开放的选项：
①P001~P005：对应M1~M5控制方式(M4、M5为备用)；
②bXXX: XXX代表0~999uS，落笔延时。
③FXXX：XXX代表50~999uS，首脉冲缓下降时间。
④dXX：XX代表2~20 uS，即释放时间。
⑤A001~A003：A000-低电平有效、模拟调制；
A001-低电平有效、数字调制；
A002-高电平有效、模拟调制；
A003-高电平有效、数字调制。
⑥L000~L002：锁定及恢复出厂参数，需密码进入。
L000—开锁；L001—闭锁；L002—恢复出厂参数。
出厂配置（默认）参数为：P001、b000、F150、d06、A003。数字（内部）频率为5.00KHZ。
SAVE/ENTER—保存/确认键。按下此键可将“调制频率”及“菜单选项”的当前设置保存，作为下次上电默认的设置。
RUN/STOP—运行/锁光状态切换键。RUN状态时，按此键切换为STOP状态。测试状态时，此键无效。上电默认为RUN状态。
TEST——测试功能键。测试状态是为了方便用户将电源与上位机脱离单独进行测试而设置的状态。STOP状态下，按此键切换为测试状态。RUN状态下，此键无效。测试状态下，可进入功能菜单改变参数及选项。
2．5．7 电源开关
面板右侧绿色按钮为带指示灯的电源总开关，用于接通/关断电源电源。接通电源时，指示灯亮。
三、电源与Q开关元件的阻抗匹配
Q开关元件都装有阻抗的匹配元件---可调电容或可调电感，用来调节Q开关元件的等效阻抗，使得它的网络阻抗与Q电源相配。
请按下述方法对Q开关元件进行阻抗匹配。
1) 把Q电源的射频输出端接到透过式射频功率计再输到Q开关元件。
2) 打开电源总开关，使处于STOP状态，Q电源有射频信号输出。
3) 测量驻波比，调节可调电容或可调电感，使驻波比越小越好。
驻波比越大，相应的反射功率就越大，越容易损坏Q电源。同时，Q电源向外部发射的射频干扰越大。因此，一定使Q开关元件网络阻抗与Q电源相配，降低驻波比。
一般地，驻波比应小于1.2。
四、安装及操作说明
4．1．安装条件
1） 电源外形尺寸如图十三所示。要给电源提供良好的通风散热条件。电源上面通风散热空间的高度不小于10CM，后面空间的深度不小于20CM。
2） 要保持电源表面清洁和干燥。

图十三 电源外形尺寸
4．2．电气安装连线
电源应用接线图如图十四所示。

图十四 应用接线图
其中 1：进线电源插座(带保险座) 2：风机 3：射频输出插座 4：外控接口 5：接地螺柱。
1) 接地：电源机壳通过电源插座或接地螺柱引线接至大地。要求遵守电气安全操作规程，保证机壳可靠接地。
2) 电源：用截面积为0.7-1平方毫米的多股铜芯线电缆从电源插座正确接入电源。注意：QSD系列Q开关电源有AC220和AC110两种供电方式。接线错误将导致电源损坏！
3) 保险管：电源保险管为3A。
4) 外控接口：为15芯计算机孔式插座。参阅图十一、十四连接外控接口线，用户可以根据自己的控制方式来配置外控接口。
5) 外保护接点：在外控接口内。为保护Q开关元件，用户可将Q开关元件上的热敏开关（温度正常时接通）接到外保护接点上。或者，不采用外保护时，直接把外保护接点短接。
6) 射频输出：用Q9插头和50欧的射频电缆做好连接线，将输出端连接到Q开关元件上。
注意：要保证连接可靠。否则，射频反射过大将影响电源的性能，使电源处于保护状态，易导致电源损坏！
4．3．操作流程说明
用户在将电源与上位机连接之前，请按以下流程进行测试和调整。
1） 按要求完成电气安装连线。
2） 用射频功率计测量电源输出功率(50W)和驻波比(1.2)。
3） 使用默认参数/设置；或进入功能菜单中，选择控制方式（M1、M2、M3），选择出光有效电平、数字调制/模拟调制，设置首脉冲抑制宽度、释放时间。
4） 在确保Q开关已有冷却水的前提下上电。上电时处于RUN状态，按RUN/STOP键切换为STOP状态（RUN/STOP灯灭），然后按TEST键进入测试状态（TEST灯亮），应出光；再按TEST键返回STOP状态（TEST灯灭），应不出光。
5） 将电源与上位机连接，按RUN/STOP键切换为（RUN）状态（RUN/STOP灯亮），由上位机控制电源运行。

五、异常现象释疑

异常现象
原因
处理方法
1．电源指示灯不亮
（1）AC220V未连好
(2）指示灯坏
⑶ 电源插座保险断
接好电源线
更换电源开关
更换保险
2．保护指示灯亮，显示故障代码“E00X”,且无射频输出
（1）E001--外控保护,外保护接点断开
（2）E002--超温保护,内部过热，保护单元动作
（3）E004--反射保护,Q元件与驱动器不匹配,或两者的连接不可靠，或输出端有短路，引起反射过大导致内部保护单元动作
检查外保护接点
改善散热条件

测驻波比
检查射频连接线缆
请向本公司咨询
3．运行指示灯亮，无射频输出
无有效的出光控制信号

检查出光控制信号脉冲

4．加工图文错乱
出光有效电平设置错误
重新设置出光有效电平
5．可关断激光功率偏小
（1）Q开关元件有问题
（2）输出射频功率偏小
检查Q开关
调节12V直流电源电位器使射频输出功率恢复原来大小
6．激光脉冲峰值功率偏小
（1） 激光平均功率偏小
（2）Q开关元件有问题
调节光路
检查Q开关元件

主控板元件位置图
JP3位置

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