微型集成化低功耗電光調Q電路的設計

唐 偉，鄭 杰，白 楊，胡遠航，張志堅，毛一江，趙才曲，唐中和，李慧

(西南技術物理研究所，成都 610041)

0 引言

電光調Q具有激光脈沖腔內損耗低，輸出能量穩定，控制精度較高等特點，還可以獲得穩定可控的、高峰值功率、高重復頻率、窄脈沖寬度的激光，是目前使用最廣泛的一種調Q方式[1]。

不同的調Q晶體所需的電壓各不相同，為了能廣泛適應多種調Q晶體，需要調Q電路的輸出電壓范圍寬且可調。影響激光器峰值功率的主要因素是激光器的電光效率，而電光調Q的開關速度會嚴重影響電光效率。在激光形成過程中，如果電光調Q速度太慢，激光器的Q值達不到最大，損耗不是最小的狀態，將會嚴重影響腔內光子提取效率，最終降低電光效率。另一方面，對于退壓式調Q，如果電光調Q速度太慢，當在激光形成時，晶體上電壓還未退到零電壓，線偏振光會多次往返經過晶體，最后變成橢圓的偏振光，在偏振片時將被部分反射還會產生漏光現象，也會降低電光效率。

高峰值功率激光器的激光脈寬一般需求在10 ns以上，對調Q速度的追求并不嚴格，一般要求在20～30 ns即可。

傳統產生電光調Q 脈沖常用的方法有：冷陰極觸發管調Q電路、脈沖變壓器法、雪崩三極管法、串聯式MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金屬-氧化物半導體場效應晶體管)開關法[2]等。

冷陰極觸發管調Q電路體積較大，器件易老化，調Q邊沿大于70 ns，會產生嚴重的電磁干擾。脈沖變壓器法電路不僅結構簡單而且調Q電壓范圍寬且可調，因而在民用產品上被廣泛使用[3]。但其調Q邊沿一般大于40 ns，且磁飽和材料容易受到高、低溫的影響而導致調Q邊沿抖動嚴重，另外其重復頻率也較低；基于多級串聯雪崩管驅動的調Q電路邊沿一般小于10 ns，但電壓的可調范圍較窄，且對雪崩管的一致性要且較高，可靠性較低；串聯式場效應管法通過串聯多支MOS管[4]來適應各種電壓，調Q邊沿一般小于30 ns，重復頻率也可以較高。

傳統的串聯式場效應管法電光調Q電路的高壓電源、高壓開關兩部分一般分別獨立，多采用分立元器件搭建，結構復雜，體積較大，常用的調Q電路尺寸可達120 mm×75 mm×35 mm；功耗一般功率超過20 W， 其驅動信號同步性難以保證，造成MOS開關不同步問題，嚴重可能會導致單只MOS管過壓擊穿[5]。由于器件多，線路長，造成高壓區域分布較大，容易形成高壓擊穿，加大了絕緣處理的難度，對裝配人員安全造成威脅；傳統的調Q電路需要外部提供一個驅動能力較強的超快沿(一般小于1 μs)來驅動高壓開關電路，造成外部電路復雜，不能直接與系統控制電路的TTL電平簡單適配[6]。

隨著以無人機、無人戰車、無人船為代表的無人作戰平臺的大規模應用，對激光測距、照射類設備的體積、功耗、集成化、小型化都提出了更高的要求，本文目的是針對上述現有技術存在的問題，設計一種集成化高，體積尺寸小、功耗低、便于驅動與調壓的電光調Q電路。

1 微型電光調Q電路組成

本文所述的調Q電路是一種用于高峰值功率激光器的微型低功耗集成化電光調Q電路，包括開關電源電路、倍壓整流電路、高壓開關、觸發電路等，其原理框圖如圖1所示。

圖1 微型電光調Q電路原理框圖

外部供電后，脈寬調制器啟動輸出PWM脈沖信號[7]，經驅動電路后驅動開關管，高頻脈沖變壓器進行升壓。經倍壓整流電路整流后通過反饋網絡進行反饋，與基準進行比較后調整PWM脈沖信號的脈寬，直到得到穩定預設的高壓值。當外部TTL觸發信號上升沿來臨，將觸發驅動電路產生快速的驅動信號，經過多路觸發脈沖變壓器隔離后產生4路快速驅動信號，使高壓MOSFET開關網絡快速同步打開，最終形成納秒級高壓上升/下降沿。

2 單元電路

2.1 高壓電源控制電路

高壓電源控制電路如圖2所示，主要由脈寬調制電路、驅動電路、反饋環路組成。選用芯片TL494作為PWM型開關電源集成控制器來提供矩形脈沖[8]，驅動電路主要是將控制信號放大來驅動開關管，反饋環路對輸出高壓采樣反饋來實現高壓的穩定輸出。采用推挽式電路來驅動后級的開關管，開關管選用金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)[9]，由于功耗較低，封裝采用TO-252；電路拓撲采用單端反激結構方式。反饋環路采用高壓電阻分壓方式采樣，反饋回路通過磁耦進行隔離反饋，使輸入、輸出不共地，隔離前后級電路。TL494可向外部提供Vref基準電壓，外部可以通過電位器分壓取得設定電壓，與反饋回路的電壓一起送入TL494的反向誤差放大器，調制輸出PWM信號的脈寬，最終達到預設的輸出電壓。

圖2 高壓電源控制電路

TL494構成的控制電路，TL494在正常工作時，14腳提供5 V的Vref基準電壓；4腳為死區時間控制端；3腳是反饋輸入端(BH)，當該引腳接收到故障信號時，迅速封鎖輸出脈沖，關斷MOSFET； 6腳的電阻Rt和5腳的電容Ct決定輸出脈沖頻率，頻計算等式如等式1所示。

f=1.1/(RT×CT)

(1)

2.2 高頻變壓器設計

高頻變壓器是高壓開關電源的最重要部分，在電路中作用為磁能轉換，電壓變換和絕緣隔離。當高壓電源控制電路使功率開關管高頻通斷時，恒定的直流電壓將被被轉換成方波電壓，并施加在高頻變壓器初級側，高頻變壓器進行電磁能量轉換，再通過整流濾波電路可將變壓器二次側電壓轉換成所需的電壓。

由于整體尺寸限制高頻變壓器設計為扁平小型化，開關頻率設計為110 kHz附近。脈沖變壓器的磁芯材料選用鐵氧體[9]。由于輸出電壓較高，選用平面型多槽高頻變壓器，其多槽設計可以靈活繞制多圈繞組，可以有效防止升壓過高導致的匝間擊穿，骨架如圖3所示。初級電壓為12 V，次級電壓設計為600～800 V，初級繞組N1設計為15匝，次級繞組N2設計為600匝。

圖3 高頻變壓器

選用E型R2KB型鐵氧體磁芯磁性材料，采用聚砜材料作為骨架[10]，絕緣材料采用聚四氟乙烯，變壓器加工完成后應整體抽真空，并采用低揮發性絕緣漆加熱灌封，保證其絕緣性，避免高壓擊穿現象。

2.3 倍壓整流電路設計

經高壓電源控制電路、高頻變壓器后，在變壓器次級繞組得到高壓脈沖輸出，還需要經整流濾波電路才能得到高壓直流電平。

整流器件、濾波器件是決定高壓開關電源體積尺寸的主要因素[11]。電光晶體比如RTP(RbTiOPO_4，磷酸鈦氧銣)、LN(LiNbO3， 鈮酸鋰)等其電特性均表現為一個皮法級的小電容，負載很小。倍壓整流是利用二極管的整流和導引作用，將電壓分別貯存到與二極管并聯的電容上，然后把它們按極性相加的原理串接起來，得到較高的電壓，雖然其電流較小，但非常適合高壓小電流的應用。因此可以通過倍壓整流電路來實現更高的電壓輸出。

通過對高頻脈沖變壓器、整流濾波電路、負載電壓電流的設計分析，采用8倍壓整流電路能將高頻變壓器輸出的600～800V交流電壓整流到最高5 000 V的直流電壓。同時能有效壓縮高頻脈沖變壓器的體積，減小整流濾波電路元器件的耐壓壓力，使其尺寸可以有效減小。

整流濾波電路如圖4所示，其中用于倍壓整流電路的二極管，最高反向電壓為2 kV，整流電流平均值為5 mA，反向恢復時間小于100 ns，封裝為SMA/DO-214AC。高壓陶瓷電容具有耐直流高壓的特點，其中的低耗損高壓圓片具有較低的介質損耗。倍壓整流電路使用的電容器容值為1 nF，耐壓值為2 kV。

圖4 倍壓整流電路

2.4 觸發電路設計

為了降低調Q電路的設計復雜度，驅動電路應能適應TTL調Q信號直接觸發，這樣才有利于與整機控制系統配套使用。驅動電路與控制電路之間用光耦進行信號隔離傳遞。采用推挽驅動電路作為脈沖變壓器單輸入初級的開關管驅動，多輸出的變壓器次級側和負載相連，通過對變壓器初級側的開關器件控制，在負載上就能獲得理想的脈沖波形。

觸發電路設計必須保證串聯MOSFET的同步驅動[12]。單輸入多輸出的脈沖變壓器可以很好地解決MOSFET驅動不同步問題，既保證了各個MOSFET的同步驅動又實現了電路之間的電氣隔離。脈沖變壓器設計如圖5所示。脈沖變壓器選用鐵氧體作為脈沖變壓器的磁芯材料，原邊電壓12 V，變壓器的副邊設計為4組繞組輸出形式，輸出端U1、U2、U3、U4分別用來驅動4個MOSFET功率開關管。每組電壓15 V，原、副邊變比為12:60。原邊采用隔直電容，提供重啟電壓，防止變壓器磁性飽和。采用推挽驅動電路作為脈沖變壓器原邊的驅動，能適應TTL調Q信號直接觸發[13]。副邊選用多路信號同時觸發的方式，能夠穩定可靠的使串聯的高壓MOSFET開關網絡達到開通狀態。脈沖變壓器隔離了整個電路的高壓區和信號區，提高了電路的抗干擾能力和安全性。

圖5 多路高速脈沖觸發電路

2.5 高壓MOSFET開關網絡

功率MOSFET是單極型電壓控制器件，具有開關速度快(納秒級)、開關損耗低、高頻特性好、熱穩定性優良、驅動電路簡單、驅動損耗低、安全工作區寬、無二次擊穿問題等顯著優點。高壓MOSFET開關網絡要求工作電壓高，開關速度快才能達到5 kV級電壓的快速開關。選擇IXYS公司的Polar3TM系列具有專有的高壓封裝、高阻斷電壓、正溫度系數RDS(on)。選取1.5 kV耐壓的高壓MOSFET管作為主開關管，其RDS(on)、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸都得到了有效降低。高壓MOSFET開關網絡如圖6所示， 4支MOSFET串聯后可滿足5 kV以內的耐壓。

圖6 高壓MOSFET開關網絡

高壓MOSFET開關網絡快速導通才能有效保證Q開關速度達到納秒級，因此在驅動電路的設計上應保證觸發脈沖具有足夠快的上升與下降速度；為了使高壓MOSFET可靠觸發導通，應選擇較高觸發脈沖電壓，為了防止誤觸發，在其截止時應該快速泄放柵源電壓；在高壓MOSFET開關網絡的4支MOSFET各自的柵極與源極之間接一個齊納二極管，將柵極與源極之間的電壓鉗為到安全電壓來保護高壓MOSFET的柵極。另外，在高壓MOSFET的柵極與源極之間還應并聯一只1 k的電阻，該電阻可為高壓MOSFET提供一個固定偏置，防止MOSFET誤觸發。為了均衡各只MOSFET上所承受的電壓，在每只MOSFET的源漏極級并聯10 MΩ高壓電阻進行均壓。

表1 微型電光調Q電路主要性能參數

3 實驗結果及分析

微型電光調Q電路電路采用FR-4 3 mm厚度PCB板材，有效提高絕緣性。電路測試完成后，將其裝入金屬殼體中并采用具有低揮發性的導熱灌封膠對微型電光調Q電路進行整體灌封，保證其絕緣性，提高在高低溫、沖擊振動、低氣壓下電氣可靠性，還可以有效降低其產生的電磁干擾。

測試平臺為采用鈮酸鋰(LN)晶體調Q的90 mJ燈泵激光器激光測距機、采用磷酸鈦氧銣(RTP)晶體調Q的100 mJ半導體激光器照射器。

測試主要設備為泰克TDS3052C-500M示波器、泰克P6015A高壓探頭、P6703B-1 GHz型光電探頭測[14]。

微型電光調Q電路高壓電源部分測試圖如圖7所示，圖7(a)為高壓電源啟動波形，啟動過程平穩，無過沖；圖7(b)為高壓電源紋波測試，紋波Vp-p小于10 V，處于較高水平。微型電光調Q電路整體測試數據如表1所示。

圖7 高壓電源部分測試圖

該微型電光調Q電路用于激光器測試如圖8所示。圖8(a)為5 kV加壓波形，圖8(b)為5 kV退壓波形，圖8(c)為采用鈮酸鋰(LN)晶體調Q，90 mJ燈泵激光器激光測距機激光出光波形，圖8(d)為采用磷酸鈦氧銣(RTP)晶體調Q，100 mJ半導體激光器照射器激光出光波形。

實驗結果表明，該微型電光調Q電路，能在-40 ℃～+85 ℃環境下，穩定可靠的工作，激光輸出能量穩定，激光束散小、光束質量高，能適于多種無人作戰平臺用激光測距照射器。目前在軍用激光測距機/照射器上已廣泛應用，具有體積小、功耗低、集成度高、可靠性高的特點。也可推廣到民用高功率激光器領域。

圖8 微型電光調Q電路試驗波形

4 結束語

本文研制了一種能在-40 ℃～+85 ℃環境下，適用于超小型無人測距照射平臺的微型集成化低功耗脈沖激光器電光調Q電路，集成了高壓電源與高壓開關，克服了傳統電光調Q電路驅動復雜、功耗高、邊沿抖動、可靠性低、體積大不利于小型化集成的缺點。實驗結果表明，該微型電光調Q電路，能在-40 ℃～+85 ℃環境下，穩定可靠的工作，激光輸出能量穩定，激光束散小、光束質量高，能適于多種無人作戰平臺用激光測距照射器.