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1、大电流窄脉宽半导体激光发射系统研究刘继勇，李军（西安工业大学 电子与信息工程学院 陕西西安 710000）摘要：设计一种大电流窄脉宽半导体激光发射系统，本系统主要根据手持式激光测距仪要求设计，分别对半导体激光器所需要的大电流窄脉宽驱动电路，高压开关电源电路进行理论分析，并通过PSPICE进行仿真，半导体激光器输出电流脉宽10ns左右，上升时间8ns，最大脉冲电流20A，重复频率10KHZ。关键字：半导体激光器；boost升压电源；峰值电流；脉宽；上升时间High current short pulse laser diode emission systemLiu ji-yong,li jun（
2、Xian university of technology,Telecommunications and information engineering institute, shanxi xian 710000）Abstract：devise high current short pulse laser diode emission system,principally applied to the hand-held laser range finder.Respectively on semiconductor laser need large current narrow pulse
3、width drive circuit, high voltage switch power supply circuit theory analysis,and Through the PSPICE simulation，the output current pulse width and rising time is about 10 ns and 8 ns respectively, the maximum output current is 20A, and the repetitive of the module can reach 10KHZKey words：laser diod
4、e emission system; boost high voltage switch power; maximum current; pulse width;rising time1. 引言半导体激光发射技术在激光测距，激光制导1，激光近炸引信，目标识别，激光雷达等领域应用广泛，而半导体激光器发射的激光脉冲质量直接影响到系统的测距精度2，测距距离，及抗干扰能力等系统指标。激光脉冲的质量主要体现在脉冲的宽度和脉冲的峰值功率，脉冲宽度越小则测量精度越高，且半导体激光器是电流注入式调制方式，峰值电流越大则峰值功率越高，则测量距离越远，所以大电流窄脉宽激光测距系统是目前激光探测等领域的关键技术。而
5、大电流通常需要高压驱动，所以升压开关电源的设计也是本文的重点难题。本文在参考大量文献资料的基础上，研究出了高质量激光脉冲发射器的设计方法，通过PSPICE仿真，验证了本文的设计理念，产生高质量激光脉冲，脉宽10ns，上升时间8ns，峰值电流可达20A，重复频率10KHZ的脉冲激光半导体发射电路。2. 激光器驱动电路工作原理及理论分析本驱动电路主要采用RLC电容放电工作原理设计，它的简化等效电路如图2.1所示，当开关U1断开时，储能电容C1充电，C1两端电压逐渐升高；当开关U2闭合时，C1放电，产生脉冲电流，LD导通。但是实际电路中仍要考虑电感的存在，L1则是电路的等效电感，从而构成RLC振荡回
6、路。由图1可知，当C1放电时，电容两端电压为V1=U，电路方程为 (1)对公式(1)微分得 (2)通过求解微分方程(2)得其中 (3)t=0时， (4) 由公式(3)(4)得 (5)由于本电路工作在欠阻尼状态，系统衰减震荡，则 (6)分析欠阻尼状态可得，分别代表了衰减曲线的衰减速度，幅值，和周期。由于激光驱动电路是要得到一个大的快速电流，即震荡曲线第一个正弦波的电流，所以，应当增加衰减速度，降低其他脉冲的影响；增加电流幅值；减小衰减周期，降低脉宽长度3。且由以上分析可得回路电感越小则衰减速度越快，所以应当选取电感小的器件构成电路。 图2.1激光驱动等效电路本驱动电路的原理图如图2.2所示，高压
7、VCC1(100V)供电，由电容C2储能且放电，R1，R2限流，脉冲源V1和电源VCC2(16V)驱动MIC4452工作，输出大驱动电流脉冲，从而驱动开关管DE150快速导通和关闭，其中C1，C3为旁路电容，C5为补偿电容，调节LD输出脉冲能量。在本驱动电路中，选择合适的器件尤为重要。开关管的选取，开关管的导通时间和驱动能力制约着输出脉冲的上升时间和峰值功率，开关管的导通时间越短则上升时间约小。本电路选择大功率开关管DE150，其最大可载电压200V，峰值电流可达90A，导通时间4ns，寄生电感小于2nH，是比较理想的开关管。开关管驱动电路的选取，一般驱动电路的主要要求如下：(1)大电流驱动，
8、大电流可以使开关管快速导通，从而缩短上升时间；(2)具有较快的上升时间和下降时间；(3)开通时低电阻对栅极电容存电，断开时栅极电荷提供低电阻放电4。本系统选取集成驱动芯片，比分离元件更易控制且干扰小，芯片为MIC4452专用驱动芯片，具有12A的峰值输出，上升下降时间20ns左右，输出频率最高2MHZ，可以较好的驱动开关管。激光二极管的选取，SPL_PL90_3半导体激光管，最佳波长905nm，寄生电感5.2nH，阈值电流小于1A，其峰值功率可达85W，当输入峰值电流20A时，输出功率可达60W，有较好的耐压值和输出功率。 图2.2驱动电路原理图3. 电源模块工作原理及理论分析本驱动电源由两部
9、分构成，第一，DC-DC100V升压电源；第二，DC-DC16V升压电源。本激光驱动电路需要100V以上的高压驱动，DC-DC高压开关电源的工作方式一般分为单端反激式5，推挽式，半桥式，和升压型，本文采用boost升压型工作原理，boost升压具有体积小，结构简单，输出效率高，输出电压波纹小的特点，适用于驱动激光二极管。驱动原理如图3.1所示,boost变换器是一种开关直流升压电路，由于开关管的周期性导通与关闭，电感线圈L1产生反电动势，与电源电压叠加，从而提高输出电压,由MC4452提供大电流来驱动开关管M1的导通关闭。M1导通时（导通时间为），L1为充电过程，充电电流恒定I1，储能电容C1
10、供电负载，输出电压Uo，电感L1积聚能量， M1断开时（断开时间），此时V1和L1同时向负载供电，电感L1释放能量， 一个周期中电感储存和释放的能量是相等的，即 整理得 其中 由以上推理可知，L1储能之后具有使电压泵升的作用，我们可以调节驱动脉冲周期和占空比，使输出电压大幅度提高，电容C1则保持输出电压。图3.1 100V开关电源升压BOOST电路DC-DC16V升压电源工作原理如图3.2所示，由常用小幅升压芯片MC34063制作，该芯片价格实惠，应用简单，可组成多种直流升压，降压电路，输入电压在30V以内，工作频率可达100KHZ，内置大电流电源开关，输出电流1.5A，输出电压一般不能高于3
11、0V，可以驱动MIC4452,由电容C6决定震荡频率。如图所连电路，通过内部开关导通关闭时间比的设定，构成升压回路，输出电压图3.2 16V升压电路4. 激光发射系统PSPICE仿真根据本系统的实际发射要求，将开关电源模块与激光驱动电路相连，通过不断试验选择合适的器件参数，通过orCAD16.5中的电路仿真软件PSPICE，分别对开关电源的VCC1，VCC2和激光二极管驱动电流进行仿真测试。如图4.1所示，MC34063在30ms后升为16V。如图4.2和图4.3所示，经过boost升压电路，电压升至100V，波纹系数低于0.2%，对激光二极管影响较小。如图4.4所示，激光驱动电流上升时间8n
12、s，脉冲宽度10ns，峰值电流可达20A，说明本驱动电路可以产生高质量激光脉冲。图4.1 MC34063电压特性仿真图4.2 BOOST升压仿真图4.3波纹系数图4.4激光驱动电流5. 结论本文根据手持式激光测距仪的要求设计了一种大电流窄脉宽激光发射电路，半导体激光器输出电流脉宽10ns左右，上升时间8ns，最大脉冲电流20A，重复频率10KHZ。该系统可以有效应用于激光测距仪，脉冲雷达，激光制导等领域。整体发射电路仿真测试电路图参考文献1 王永仲主编. 现代军用光学技术M. 北京：科学出版社, 20032 Ari Kilpel A.Pulsed time-of-flight laser range finder techniques for fast,high precision D.Oulu:university of Oulu,2003 冯志辉,岳永坚,刘恩海,周武林. 基于DE150的高速大电流窄脉宽半导体激光电源J.激光与红外, 2009,54 王川川,赵锦程,邢娅浪,孙宜民. 基于SG3525的直流升压电源的设计与仿真J. 电气开关, 20105 高军涛,黄伟,庄永峰,杨寿佳. 一种大功率窄脉宽半导体激光电源的研究J. 电光系统, 2006,6
