大功率窄脉冲激光发射系统研究VIP专享VIP免费

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HighcurrentshortpulselaserdiodeemissionsystemLiuji-yong,lijun（Xianuniversityoftechnology,Telecommunicationsandinformationengineeringinstitute,shanxixi’an710000）Abstract：devisehighcurrentshortpulselaserdiodeemissionsystem,principallyappliedtothehand-heldlaserrangefinder.Respectivelyonsemiconductorlaserneedlargecurrentnarrowpulsewidthdrivecircuit,highvoltageswitchpowersupplycircuittheoryanalysis,andThroughthePSPICEsimulation，theoutputcurrentpulsewidthandrisingtimeisabout10nsand8nsrespectively,themaximumoutputcurrentis20A,andtherepetitiveofthemodulecanreach10KHZKeywords：laserdiodeemissionsystem;boosthighvoltageswitchpower;maximumcurrent;pulsewidth;risingtime1.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，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MIC...