MOPA准分子激光全固化电源同步模块的设计.pdf

《MOPA准分子激光全固化电源同步模块的设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MOPA准分子激光全固化电源同步模块的设计.pdf（5页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 年月 日第 卷第 期现代电子技术 准分子激光全固化电源同步模块的设计尹洪虎，宋莹，鲍健（中国科学院 安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 ；中国人民解放军电子工程学院，安徽 合肥 ）摘要：介绍了一种基于可编程逻辑器件 的主振荡功率放大（）准分子激光全固化脉冲电源同步模块。在 环境下采用 语言完成设计和综合，使用 软件进行仿真。当采用 工作频率时，系统同步抖动不大于 ，满足系统设计要求。与传统系统相比，该系统具有体积小、可靠性高、便于验证修改和系统集成的优点。关键词：准分子激光器；全固化脉冲电源；同步抖动；中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：（）（），：；收稿日期：基金项目：国家

2、重大科技专项课题：双腔同步全固化激光电源及输出能量稳定系统研究（）集成电路具有体积小、功能强、可靠性高、寿命长、成本低等优点，已广泛应用于科技、工农业生产和人民生活的各个方面。光刻是集成电路制造过程中的核心步骤，提高光刻分辨力，研发相应的光刻设备是超大规模集成电路发展的前提，对整个信息产业进步也具有重要的影响。紫外激光因其波长短、光子能量大而广泛应用于光刻、医疗、材料制备等领域。随着光刻对光源输出功率和线宽控制要求的提高，单腔体结构在功率和线宽方面不能兼顾而使光源供应商寻求新的结构。利 用 图 所 示 的 （）结构提高输出功率并不断改良其输出性能。在这个结构中使用了两个独立的激光腔，腔提供后一

3、级激光器所需的极窄线宽的激光脉冲，腔简单地放大来自腔激光的能量。两个单元的输出在时间上必须精密同步，这是因为激光脉冲能量输出对这种同步定时极其敏感。能够影响磁开关同步的参数可以分为静态参数和动态参数两类：（）静态参数是指脉冲到下一个脉冲间不变的或者变化很慢的那些因素；（）动态参数是指脉冲到下一个脉冲间会变化的那些因素。静态参数的补偿容易实现，而动态参数的补偿要困难得多，因为这种补偿必须在在新脉冲到来之前做出。图 结构原理图（）同步模块作为同步器的核心部件，以 核的形式作为 处理器的外围器件使用。整个同步器除外围接口和隔离电路外所有逻辑都放在一片 芯片实现。设计中分别使用了 ，和 等不同的内部时

4、钟，由内置的 模块实现高精度的时钟管理。激光器同步器工作在高压磁脉冲强干扰环境中，使用可编程逻辑器件设计，一方面可以快速实现原型设计，便于系统修改和升级；另一方面可以减小系统体积，提高系统的可靠性和抗干扰能力。设计要求同步 逻 辑 模 块 控 制 两 套 固 态 脉 冲 电 源 模 块（）同步工作，设计要求对输入激励放电脉冲延时 可调，同时要求两路放电激励输出脉冲的相对时间抖动小于。工作原理同步的基本原理是对于给定的触发信号一分为二，一路经过可预置延时模块、激光器腔之后输出为 ，另一路经过粗调延时模块、细调延时模块和激光器 腔之后输出为 。比较 和 得出调节控制信号，反馈给粗调延时模块和细调延

5、时模块，使其改变自身延时以使两路信号 和 同时到达（即同步状态）。当处于同步状态时，由于外界变化超过一定的限度，就会打破平衡，触发一次调节过程；如果同时到达，则停止调节过程进入同步状态，否则继续调节。在实际应用过程中往往要求 腔出光时刻超前 腔出光时刻到达，这个差值由实验得出。同步器同步逻辑模块的设计同步模块结构如图中虚线框部分所示，由可预置延时、偏置、粗调延时、细调延时和控制器部分组成。可预置延时和偏置模块由用户根据实际情况进行设置，粗调延时和细调延时模块为延时可调节的延时模块，区别在于一次调节改变的延时大小不同，控制器模块通过改变粗调延时和细调延时两模块改变延时，使可预置延时值、腔延时值与

6、偏置值之和和粗调延时、细调延时与 腔延时值之和保持动态相等。图同步逻辑模块结构图 可预置延时模块可预置延时模块是用来平衡，两路激光器从触发到放电时刻延时之差。根据经验，准分子激光器从触发到发光一般在十几微秒左右，值一般不超过，为方便调试和调节有足够的裕量，可预置延时模块设定调节范围为（），为保证可预置延时值与 腔延时之和大于 腔的延时，的值设置为 为宜，具体由 处理器通过软件进行设定。图是可预置延时模块的符号，输入信号 为延时模块时钟，由系统时钟经 两倍频得到 工作频率，输入信号 为待延时的触发信号，由内外触发模块提供 的方波信号，输入信号 为延时设定值，以 为基本设置单位，输出信号 为经过（

7、）延时的标准参考信号。模块通过一个 位加计数器（计数设定值通过 设置）进行计数，当计数值达到设定值时，输出一个指示信号，即为 。图是使用 做的标准参考延时模块仿 真 图。当 被 设 置 为“”时，得 到 了 的延时。图延时设置模块图可预置延时模块仿真图 偏置模块偏置模块用于设置 腔出光时刻超前于 腔出光时刻的差值，设置范围为 ，具体值由实验过程得 出。图 是 偏 置 模 块 的 符 号，输 入 信 号 为 工作时钟，输入信号 为待延时信号，输入信号 为偏置值设置信号，以 为基本设置单位，输出信号 为 经（）延时后的信号。图偏置模块偏置模 块 采 用 同 步 级 联 触 发 器 的 方 式 产

8、生（，）一系列延时，然后由一个 选选择器选择输出所需要的延时。图是偏置模块的仿真图。当设置 “”时，理论延时应该为（），图中相对于 ，输出信号 产生了 的延时，在误差允许范围内可以认为两数值相等。粗调延时模块粗调延时模块扩大了延时调节范围，用于快速补偿激光器等外界延时时间变化，调节以 为基本步进 步退单位。图是粗调延时模块的符号。输入信号 第 期尹洪虎，等：准分子激光全固化电源同步模块的设计为 系统同步时钟，输入信号 为 工作时钟，由 模块提供，输入信号 为待延时的输入信号，输入信号 为延时控制信号，其中输入“”增加延时、“”减少延时、其他情况延时不变，控制信号脉冲持续一个时钟周期，输出信号

9、为经过延时的信号，每个控制信号脉冲导致输出增加 减少 。图偏置模块仿真图图粗调延时模块图是粗调延时模块原理图，粗调延时模块由可预置延时模块和加减计数器两部分组成。可预置延时模块前文已经介绍。加减计数器是一个位计数器，计数值 通 过 信 号 改 变，当 “”时 加，满 时计数值不再增加；当 “”时 减，当减到时不再减小。计数范围 ，对应 延时值。图粗调延时模块原理图图是粗调延时模块仿真图，第一对 与 信号之间的延时为 ，在此之后改变控制 信 号 ，加入持续 个时钟（）周期的控制信号 “”，第 二 对 与 信 号 之 间 的 延 时 为 ，两者之间的延时之差为 ，和理论延时之差 在误差允许范围内相

10、同。细调延时模块细调延时模块用于抵消激光器等外界延时时间变化和抖动，延时调节可以以 为单位连续变化，调节范围为 。图 是细调延时模块的符号。输入信号 为 系统同步时钟，输入信号 为待延时的信号，输入信号 为系统复位信号，有效时延时时间被置为 ，输入信号 为延时控制信号，其中输入“”增加延时、“”减少延时、其他情况延时不变，输出信号 为经过延时的信号。原理图如图 所示。细调延时模块由两部分组成：延时产生线和延时选择部分。图粗调延时模块仿真图图 细调延时模块图 细调延时模块结构示意图延时产生线由个 触发器正向输出端 和输入端 首尾相连，所有时钟端连通接到系统公共时钟，这样产生 （为系统时钟周期）的

11、延时，因此要获得 （，）的延时输出，只需要将 的正 向 输 出 引 出。该 设 计 中 采 用 频 率 为 有源晶振，经过 内部的 倍频后 ，因此 ，产生 的延时只需。延时选择部分由一个有 个状态的状态机组成。状态机根据控制信号 和 改变内部状态，状态转移关系如下面的伪代码所示。当 时候，则输入信号产生延迟为 延时输出。状态转移函数的伪代码 全局复位信号有效时，进行复位 ；状态递增 当前状态为 时，状态不变 ；否则，转变为下一个状态 ；现代电子技术 年第 卷 状态递减 当前状态为，状态不变 ；否则，转变为前一个状态 状态不改变 ；状态机在不同的状态下选择延时线不同的延时输出端，进而达到输出不同

12、的延时的目的。状态的转化由 信号控制，延时可以 为单位连续的变化。图 是细调延时模块仿真图，在图中已完成了系统复位，延时控制信号 持续了 的“”信号，此时应该输出 延时，对照图中实际仿真的结果，理论和仿真结果相同。图 细调延时模块仿真图 控制模块控制模块通过 和 两控制信号分别反馈给粗调延时和细调延时模块，调节它们增加或者减少延时，以满足同步的要求。控制模块符号见图。输入信号 为 系统同步时钟，输入信号 为激光器腔出光时刻信号附加偏置延时的信号，输入信号 为激光器 腔出光时刻信号，输出信号 和 分别为粗调延时和细调延时模块的控制信号，输出为“”时表示需要增加延时，“”表示需要减少延时，其他情况

13、延时不变，输出信号 为同步指示信号，“”代表已经同步，“”代表尚未同步。图 控制模块控制模块比较两路输入信号 与 的先后到达顺序以及两信号之间的时间差给出输出控制信号。计数值为内部的辅助信号，以同步时钟周期 为单位进行计数。当 超前于 信号到达时输出控制信号“”，否则当 滞后于 信号到达时输出“”。如果两个信号相差超过 个时钟周期，控制信号由 输出；如果两信号相差个时钟周期，控制信号由 输出；如果两信号相差个时钟周期，则两路信号已经同步。如果两个信号同时到达，则两路信号已经同步。与 控制信号脉冲各持续一个时钟周期、信号持续到下一次信号更新为止。输入信号与输出信号之间的关系如表所示。表控制模块输

14、入输出关系输入信号到达关系计数值 超前于 与 同时 滞后于 图 为控制模块仿真结果，第一组 滞后于 十五个时钟周期，所以输出 “”，“”，“”；第二组 滞后于 七个时钟周期，所以输出 “”，“”，“”；第三组 滞 后 于 一 个 时 钟 周 期，所 以 输 出 “”，“”，“”；第四组 超前于 七个时钟周期，所以输出 “”，“”，“”；第五组 超前于 十五个时钟周期，所以输出 “”，“”，“”。图 控制模块仿真图结语本文设计实现了一个基于可编程逻辑器件 的 准分子激光全固化电源同步器同步模块，该模块可以在不需 参与的情况下完成所有同步动作，获得了抖动不大于 的同步精度。系统设计采用可编程逻辑器

15、件与传统设计方法相比较优势在于设计周期短、难度小，便于修改、验证和系统集成，有利于减小系统体积，增加系统可靠性。同步模块以 核的形式作为 处理器的外围器件使用。可以预见的是，提高系统时钟频率可以进一步减小系统的同步抖动。（下转第 页）第 期尹洪虎，等：准分子激光全固化电源同步模块的设计速度快，但这些芯片成本往往比较高。图反馈回路电路图输出回路中串联一个小电阻，电流纹波的变化可以从这个小电阻两端电压变化来体现，将这个电压通过差分放大器放大反馈回时钟控制端，使得时钟可以根据这个变化而适时调整两个电源的相位差。图为双路并联以后的纹波波形，输出电压为，纹波电压峰峰值为。图为加了反馈以后的纹波波形，输出

16、电压为，而纹波减小为。实验结果表明这种带有反馈的双路并联电流源在纹波抑制方面具有一定效果。图双路并联以后的纹波波形图加反馈后的输出纹波波形结语开关电源由于其自身结构必然会产生纹波，在各种应用环境中总是力求纹波无限小。基于电源成本，电路复杂程度，应用场合参数要求不同，各种纹波消除手段均有其优势。除此之外，在其他方面也可以采取各种措施，例如元器件的合理布局，接地技术，屏蔽技术，其他开关电源拓扑结构等。随着对开关电源的不断探索，性能更高的电源技术必将会被开发出来。在驱动大功率半导体激光器当中，多路并联恒流源具有很高参考价值，本文所提出的纹波抑制方法是一种改进措施，并取得良好效果。参考文献刘郑辉，席自

17、强 基于 电路的开关电源纹波的计算和抑制湖北工业大学学报，（）：张兵，白雪抑制开关电源纹波的研究宜宾科技，（）：熊亚兰谈谈开关电源效率及开关噪声火控雷达技术，（）：胡学芝开关电源的噪声及抑制方法机床电器，（）：徐华中，陈昌喆开关电源噪声分析及处理方法武汉理工大学学报：信息与管理工程版，（）：郑大连，杨忠孝，张榆平 电源中的纹波抑制设计电子元器件应用，（）：高之鹏，王仁波，沈克镇基于开关电源的尖峰吸收电路设计电子元器件应用，（）：纵慧慧，郝继飞，邢青青 控制系统对纹波的研究自动化与仪器仪表，（）：高利兵一种新型的低纹波开关电源电子工程师，（）：荣军，张敏，张一鸣，等基于单片机的恒流源技术研 究

18、电子器件，（）：作者简介：方宇杰男，年出生，湖北武汉人，在读硕士研究生。主要从事光电控制、激光器电源、电路设计方面的工作。苏秉华男，年出生，陕西人，博士，教授。主要从事光电成像及信息处理等方面的工作檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶。（上接第 页）参考文献蒋文波，胡松 传统光学光刻的极限及下一代光刻技术微纳电子技术，（）：唐娟，廖健宏，蒙红云，等紫外激光器及其在激光加工中的应用激光与光电子学进展，（）：高怀林，杨艳霞工业应用放电泵浦准分子激光器研究进展 激光杂志，（）：游利兵，周翊，梁勖 近期光刻用 准分子激光技术发展 量子电子学报，（）：，（）：，：，数字系统设计李仁发，凌纯清，徐成，译 版北京：电子工业出版社，陈忠平，高金定，高见芳 基于 的 设计与实践 北京：电子工业出版社，日 汤山俊夫数字电路设计关静，胡圣尧，译北京：科学出版社，求是科技 应用开发技术与工程实践北京：人民邮电出版社，作者简介：尹洪虎男，年出生，黑龙江大庆人，在读硕士研究生。研究方向为电子和嵌入式系统设计。现代电子技术 年第 卷