脉冲式激光驱动电源的研究与设计2

脉冲式激光驱动电源的研究与设计1.1引言二十世纪后期到二十一世纪初，超短脉冲激光成为强有力的科学研究手段，使科研上升到一个新的层次。一些国家和部门重点实验室的科研项目，有很大比例围绕着超短脉冲激光及其应用。由于半导体激光器的增益带宽很宽适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用[62]。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用。大电流超短脉冲半导体激光器可以直接作为仪器使用，它更可以作为系统的一个关键部件、一个激光光源。它将作为火花启动庞大的仪器装备制造业，因此研究如何从半导体激光器获得大电流超短脉冲激光备受重视，也是我国亟待解决的科技问题。目前，美、德、日等国在脉冲驱动源的发展走在了前列，已经达到很高的水平，据文献报道[62,63]，他们目前已能获得电流达几十安培甚至上百安培，脉冲宽度达到纳秒，甚至皮秒级的半导体激光器驱动电源，但该电源还处于实验阶段，尚未商品化。一些半导体器件公司研制的LD驱动电源指标也已经很高，并且商品化。如专门生产小型化高速脉冲源著称的AVTECH公司生产的型号为AVOZ-A1A-B、AV-1011-BDE驱动电源，其电流脉冲峰值可达2A，脉宽为100nS脉冲上升时间仅为10nS，重复频率可达1MHz。并带有通用的接口总线，通用性强，可用于驱动多种类型的半导体激光器。DEI公司的PCO-7210驱动电源脉宽小于50nS，重复频率也达到1MHz，峰值电流为十几安培，但这些产品价格昂贵，需要一到两万美金左右。在国内，对于脉冲式驱动电源的开发，大多用于光纤通信，其对输出电流的要求很低，只有几十毫安即可。由于半导体激光器的增益带宽很宽，适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用[64,65]。本章通过分析比对，选取快速开关器件VMOSFET作为半导体激光器脉冲驱动电路的核心元件，得到了大电流、窄脉冲输出。本设计具有结构简单、小型化、低电压供电、脉冲指标易于调整等优点。其主要设计指标如下：1.脉冲宽度最小为30nS且连续可调；2.脉冲频率在500Hz~50KHz连续可调；3.最大输出电流峰值为5A。1.2超短脉冲驱动电源的设计1.2.1超短脉冲驱动电源的整体设计一、脉冲驱动电源的主要技术指标从半导体激光器脉冲驱动电源的发展趋势来看，驱动技术是向着重复频率变高、功率输出增大、响应时间缩短，脉宽越来越窄的方向发展[66]。（1）重复频率。重复频率是指电源向负载每秒中放电的次数，它是脉冲电源的一项重要指标。一般情况下，把每秒低于一次的电源叫低重复频率电源；而把每秒高于一次的电源叫高重复频率电源，每秒高于一千次的叫超高重复频率电源。电源的重复频率是根据激光器的要求而决定的。（2）输出功率。输出功率就是激光器电源传送给负载的功率。对脉冲式电源，输出给负载的单次能量是一项基本指标。如果定义电源输出的单次能量是Jc，工作频率是f，输出能量是Po，那么就有Po=Jc·f（3）占空比。占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。它是在连续的脉冲信号频率或周期不变的前提下定义的，用来衡量开关管导通或截至状况，在这个前提下，设开关管的导通时间为Tо，脉冲周期为T，则占空比为Tо:T比如方波的占空比就是50%。（4）一般在谈到脉冲波型的时候都是把它当作理想的矩形波来考虑的，而实际上出现的波形，由于是通过一系列传输电路来的，所以总会有一些频段被丢失，一般波形的棱角会变钝。图6.1给出了实际的脉冲波型，对波形一般采用如下定义：图1.1波形的要素◆脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔；◆上升时间tr：从脉冲前沿波形的10%到达90%的时间；◆下降时间tf：从脉冲后沿波形的90%到达10%的时间；◆上冲电压Vover：脉冲前沿波形中瞬时超过最终脉冲振幅值的超越电压；◆下冲电压Vunder：脉冲后沿波形中瞬时低于低电平并返回的超越电压；◆脉冲宽度tw：从脉冲前沿到达波形振幅的50%到脉冲后沿到达振幅的50%位置的时间间隔；◆占空比q：对于非理想脉冲，占空比定义为脉冲宽度与脉冲.周期的比值，即q=tw/T；◆延迟时间td：从输入波形通过50%振幅的时刻，到波形的输出波形通过50%的时刻。二、设计的主要技术指标半导体激光器工作于脉冲方式，驱动电源输出电流的幅频率均要可调。针对实际要求，提出设计的半导体激光器脉源的指标：◆重复频率满足输出脉冲在500Hz到50KHz可调；◆输出脉冲电流为3A以上，属于大电流输出方式；◆输出电流脉宽较窄且脉宽可调；◆上升时间和下降时间在纳秒量级；◆由于脉宽较窄且频率不高，属于低占空比工作方式◆外围辅助电路保证激光器正常工作。三、总体框图设计在仔细分析了半导体激光器的工作原理、半导体激光器的特性和它在使用过程中对驱动电源提出的具体技术指标后，提出了脉冲式半导体激光器驱动电源主电路的设计方案如图1.2所示。图1.2脉冲式半导体激光器驱动电路框图半导体激光器脉冲驱动电源首先要产生一个超短电脉冲，用它来激励下级功率放大模块。由于电脉冲的频率和脉宽直接影响到输出脉冲的指标，所以在两者之间又设计了脉冲调理电路，它可以实现窄脉宽且频率在指标范围内连续可调，同时将脉冲信号进一步窄化。通过功率放大电路对前级产生的超短电脉冲进行放大，从而驱动半导体激光器。辅助电路除了用单片机测频外，还设计了防冲击保护和短路保护电路[67,68]。1.2.2超短电脉冲单元电路的设计一、脉冲发生电路的设计脉冲发生电路一般由两部分组成：一部分是开关电路，另一部分是惰性电路。晶体管、逻辑门和555定时器都具有开关特性，它们可以构成脉冲电路中的开关电路；电容和电感是惰性元件，它们和电阻可以构成脉冲电路中RC、LC和RLC惰性电路[69,70]。惰性电路选择用电容和电阻构成的RC电路，因此，RC电路的充放电特性是影响脉冲波形参数的重要因素。图1.3给出了RC充放电示意图，当开关位置由1变为2时，电容C开始经电阻R充电，使电容上的电压Vc(t)以指数规律上升，如图1.4所示。图1.4RC电路充电特性图1.3RC充放电示意图由图1.3可得：VC(t)=VC(∞)+[VC（0＋）－VC(∞)]e-t/ξ式中，Vc(∞)为电容电压的稳态值，在充电过程中Vc(∞)=E（电源电压）：VC(0+)为电容电压的初始值，在充电过程中VC(0+)=0V；τ为充放电回路的时间常数，在本电路中τ=RC。在脉冲电路中，一般分析RC充、放电过程的某一阶段的电压变化的幅度，或者时间。下面以图6.4为例，介绍电容电压VC(t)从VC(t1)到VC(t2)的阶段变化过程。为了方便分析把VC(t1)看作是电容充电的初始时刻VC(0+)，把VC(t2)看作是电容充电的转折值而t1时刻到t2时刻经历的时间为tw。在脉冲电路中，如果知道电容电压的稳态值VC(∞)初始值为VC(0+)和时间常数τ，就可以从式1.2推导出RC充、放电过程的电压变化幅度，或者充、放电过程经历的时间。例如：已知电容电压变化幅度VC(tw)则tw为：（1.3）一般外加电压加上τ秒后，跨于电容两端的电压为外加电压的63%，在经历5τ秒后，认为电容器基本充满。脉冲电路的另一部分就是开关电路。555定时器是一种多用途的数字——模拟混合集成电路，具有使用简便、灵活的特点，且应用广泛，性能稳定[71]。只要在其外部配上几个适当的阻容元件，就可以很方便的构成脉冲产生和变化电路。图1.5为利用555定时器连接的多谐振荡电路，可知该电路的定时元件是R1、R2和C。其工作过程如下：当电容C放电时，电压由2／3Vcc按指数规律下降，此时Q=1，T1导通且饱和，电容C通过回路C→R2→T1放电，τ1=R2C（忽略了T1管饱和电阻）当电容充电时，C上的电压由1／3Vcc指数规律上升，电容器在充电，此时Q=0，T1截止，C通过回路Vcc→R1→R2→C充电，τ2=(R1+R2)C.图1.5555定时器构成的多谐振荡器根据式6.3求出脉宽tw和脉冲周期T。二、脉冲梳理电路的设计由555定时器组成的多谐振荡器输出的矩形波，脉宽较宽且上升时间下降时间较长，为了能使下一级功率放大电路有高质量的脉冲产生，必须要加入整形电路。对于数字系统中的整形常常采用单稳态触发器，它具有以下特点：输出只有一个稳态，当由外触发脉冲作用时它能从稳态转到暂稳态，但在暂稳态维持一段时间后，能自动返回稳态，此暂态维持时间的长短仅取决于电路本身的参数，而与外触发脉冲信号的宽度无关。单稳态触发器可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成。TTL或CMOS集成单稳态触发器产品只需外接少量定时元件即可，电路设置了上升沿和下降沿两种触发方式，并有互补的输出端Q（输出正脉冲）和Q（输出负脉冲），此外还设置了清零端，使用极为方便。由于电路集成在一片芯片上并采取温度补偿措施，因此稳定性较好[72]。设计选用了SN74123芯片构成单稳态触发器，其正、负边沿均能触发工作，典型的传输延迟时间为20nS左右，边沿时间为15nS。SN74123为5V供电、16管脚的单稳态多谐振荡器。由它组成的脉冲整形电路如图1.6所示。图1.6SN74123构成的单稳态触发电路SN74123输出脉冲宽度由外接电阻R和电容C决定。当C≤1000pF时，输出脉冲宽度为twt=0.7RC（1.7）当C＞1000pF时，输出脉冲宽度为twt=0.45RC（1.8）式中：R单位为K?，C单位为pF，tw单位为nS。通常R取值在2-30KΩ之间，C的数值取在10pF-10μF之间，得到的tw的取值范围可达到20nS-200mS，实现了输出脉宽可调的特性。经过一级由SN74123组成的脉冲整形电路，可以得到一个脉宽较短的触发脉冲了，其脉冲宽度已经初步达到了设计要求。三、超短电脉冲单元电路的整体设计由脉冲产生电路和脉冲梳理电路组成的超短电脉冲单元电路如图1.7所示。由555定时器产生的是一个频率可调的脉冲序列，经过SN74123整形输出脉宽相当窄的电压脉冲。如下图所示。图1.7触发脉冲产生电路由于设计指标要求输出频率在500Hz~50KHz连续可调，相当于输出信号的周期为2mS~20μS，由式6.5可知，信号周期与充电回路及放电回路有关。连接555时，在原有典型电路的基础上，加入了二图1.7触发脉冲产生电路极管D1，减小了充电时间，使得充电回路由VCC→R1→D1→C1→地组成，而放电回路由C1→R2→T1地组成（T1是555内部晶体管），使得充电回路与放电回路彻底分开。根据式1.3得到输出波形的周期和频率分别为：(1.9)(1.10)设计对脉冲宽度的要求为纳秒数量级，所以SN74123的外接电容要比较小，一般为几十皮法，对其脉宽理论值的计算应该采用式1.8，值为：(1.11)由以上的分析可知，调节R2可改变输出脉冲的频率，调节R4可改变输出脉冲的脉宽。适当的选取R2R4可改变输出脉冲的脉宽。适当的选取。四、参数的误差分析这里需要说明的是由于555内部放电管被视为理想状态，忽略了其内阻rCES1，将造成理论值与实际值存在差距。若考虑内阻，式1.9将修改成;(1.12)放电管内阻的大小与其导通状态有直接的关系，电路中取R1为2KΩ时，若T1处于浅饱和或者临界饱和，其内阻将不再是几十欧姆，甚至达到上千欧，如果取R3=3.3KΩ，令rces1=1KΩ当可变电阻R2完全不接入时，误差将达到：(1.13)可见其影响之大。多谐振荡器在输出低电平时，由于R1阻值不同，导致放电管T1的饱和程度不同，进而影响了T1的电阻rCES1的大小，使得周期的测量值与理论值有较大误差；因此，在设计电路时，要注意R1的取值大小，使T1达到一定的饱和程度。若对应一定频段的输出，选取适当R1可以减小误差，但由于本