高精度雷射的演進與電源挑戰

從閃爍燈到量子雷射二極體

雷射應用如今已無所不在，早已深入現代生活。從用於條碼掃描器、量測儀器與資料傳輸的毫瓦級（mW）雷射，到用於材料加工與國防工業的數千瓦（kW）高功率雷射，範圍極為廣泛。

回顧歷史，從普朗克（Max Planck）於 1900 年提出量子論、愛因斯坦（Albert Einstein）於 1917 年闡述受激輻射理論，直到 1960 年梅曼（Theodore Maiman）在加州展示全球第一部運作正常的雷射，歷經了數十年的漫長探索。這些早期的雷射設備相當龐大，主要利用閃爍燈（flash lamps）作為泵浦源激發紅寶石晶體，進而射出高能量密度的同調紅光。

短短數年內，科學家便以氣體等不同增益介質開發出功率更高的雷射。磷砷化鎵（GaAsP）雷射二極體的架構概念早在 1962 年即已問世，而效率大幅提升的二極體雷射則於 1970 年代初期成功研製。

雷射的基礎科學研究極其複雜，歷來吸引了多位諾貝爾獎得主投入其中。即便是現在，要將雷射應用於高階科技領域，仍需具備雷射物理、光子學與光學等深厚專業知識，全球也僅有少數專精廠商能掌握此核心技術。

新一代設計要點：擴充彈性與極低雜訊

一家專注於量子科技領域的二極體雷射設備製造商，正尋求一套絕不干擾系統敏感訊號的電源解決方案。其既有系統採用一顆客製化 AC/DC 電源供應器，具備一組 15V/100W 峰值（Peak）輸出，並搭配兩組小功率輔助電源：一組 5V 供應微控制器（MCU）控制板，另一組 -15V 則供運算放大器（Op-Amp）使用。

在新一代改版設計中，客戶希望改採具備擴充彈性的架構：峰值功率需提升至 200W，且能直接接入工業標準的 24Vdc 主匯流排（Bus），以便在科研與工業環境中快速部署。同時，根據不同的機型配置，單一系統內可能會並聯使用多組電源轉換器。

多組電源轉換器的雜訊與干擾分析

高頻切換雜訊與系統工作頻寬

干擾現象：

兩種不同頻率的波形相互干擾相當複雜，合成後的結果主要取決於兩者的頻率差異程度。因此，本文僅探討與電源系統直接相關的影響。

由於電源轉換器是以數百 kHz 的頻率進行高電壓、大電流的切換，因此每組轉換器本質上都是一個高頻雜訊源。雖然配置適當的 EMI 濾波器能抑制雜訊擴散、保護系統正常運作；但若高靈敏度系統中還存在其他高頻雜訊源，兩者交互作用便容易衍生非預期的干擾訊號。

有鑑於此，高靈敏度系統的硬體研發團隊在設計時，必須確保所有潛在的干擾頻率，絕對不會落在關鍵信號的工作頻寬之內。

如圖 1 所示，將 250kHz 與 400kHz 兩個弦波疊加後所產生的干擾波形，清楚印證了這類混頻現象在時域與頻域上的複雜性。

Figure 1: Interference of a 250kHz and a 400kHz sine wave

切換式電源的差頻（Beating）效應

這種干擾不僅發生在切換式轉換器與系統中其他高頻訊號之間，多組轉換器彼此共存時同樣會相互干擾。
一般而言，切換式電源的振盪切換頻率通常存在約 ±10% 的公差容許值。一旦兩組相互疊加的波形頻率極為接近，其干擾波形就會與圖 1 截然不同；在電源產業中，此物理現象即為文獻上常見的「差頻（拍頻，Beating Frequencies）」效應。

舉例來說，當系統內並聯運作兩組轉換器，一組切換頻率為 250kHz，另一組為 255kHz 時，兩者疊加後會產生中心載波頻率為

f= f1+f2 2 =252.5kHz 　

的干擾波形。

其振幅為兩波之和，並隨著 5kHz 的包絡線 (Envelope)（famplitude = f1 + f2）週期性變化，此效應如圖 2 所示。

Figure 2: Interference of 2 sine waves with slightly different frequencies

若在此系統中再加入另一組切換頻率（例如 245kHz）的轉換器，將衍生出更錯綜複雜的混頻干擾，進而可能導致高靈敏度系統運作失常。

傳統 LC 濾波器的先天限制

部分切換式電源轉換器供應商建議如圖 3 所示額外串接電感來抑制這類干擾。然而，這不僅會增加功率損耗，還必須搭配容量更大的電容以維持低阻抗特性。

Figure 3: Additional inductances reduce interference between different switching frequencies

透過頻率同步消除雜訊干擾

在 P-DUKE廣泛的 DC/DC 轉換器產品線中，亦涵蓋了多款支援切換頻率同步（Synchronisable）功能的轉換器模組。當系統內所有的電源轉換器皆以完全相同的頻率運作時，不同頻率之間的混頻干擾將大幅降低，且雜訊能被嚴格限制在預先定義好的特定頻段內。

針對此類高靈敏度應用，P-DUKE 推薦採用 HAE200-24S15-YC 轉換器。這是一款額定輸入為 24V、輸出 15V 的 200W 電源模組，並具備同步功能（Sync option）。如圖 4 所示的基本配置架構，只需將兩組模組的 Sync 腳位相互連接，即可確保兩者完全鎖定在同一個切換頻率下同步運作。

Figure 4: Switching frequencies synchronized by using the Sync pin

透過此項技術，系統最多可將 3 組模組進行同步；陣列中切換頻率最高的模組將主導並決定整體陣列的同步頻率。

外部時脈同步：精準避開雜訊頻段

此外，這些模組具備更高的設計彈性，系統內的各個模組亦可由一組外部時脈（External Clock）進行同步；該時脈訊號以 -Vin（負輸入腳位）為基準，最高電壓為 5V。此外部時脈頻率必須高於陣列中所有模組最高額定常態切換頻率，且不得超出轉換器磁性元件設計所允許的極限範圍。如需進一步技術細節，歡迎聯繫 P-DUKE 應用工程團隊（FAE）。

Figure 5: Synchronization by an external clock signal

如此一來，客戶不僅能確保所有模組以完全相同的切換頻率運作，更能將單組、雙組或三組模組配置的切換頻率，精準移開並避開應用端內部任何對雜訊高度敏感的頻段。

高精度雷射驅動器電源完整方案

系統所需的 5V/2A 與 -15V/500mA 工作電壓，是透過額外搭配的 P-DUKE 轉換器直接由 15V 主匯流排降壓產生。由於這兩組電源輸出功率較小，因此不會對系統中的其他關鍵元件造成顯著干擾。

PSR02-12S05 是一款非隔離型切換式穩壓器，採用業界標準的 LM78 腳位配置（Pinout），可在 6.5V 至 36V 的寬輸入電壓範圍內穩定提供 5V/2A 輸出。
UDH01-12S15 則是一款具備 15V/1W 輸出的 1W 隔離型轉換器，其功率足以為高精度電路中的運算放大器（Op-Amp）提供所需的負電源軌。只需將其正輸出端（+Vout）連接至系統接地（GND），即可產生所需的 -15Vdc 負工作電壓。

圖 6 顯示了該雷射驅動器系統的完整系統方塊圖（Block Diagram）。