儲能型高功率脈沖激光器驅(qū)動技術(shù)研究

王鍇磊 吳春嬋 王曉光 劉 柯 鮑晨興 郭天茂 朱 浩

（北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京100076）

1 引言

由于激光所具有的良好的單色性、準直性和相干性等特點，因此，在目標探測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如脈沖激光雷達、三維形貌測量和大地測繪等目標探測領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體激光器制造工藝的成熟，半導(dǎo)體激光器的輸出功率不斷提高，采用905nm 的二級安全激光促使了激光探測技術(shù)的發(fā)展。在大部分的目標探測領(lǐng)域中，激光器工作在脈沖驅(qū)動模式，目標探測的性能很大程度上取決于脈沖激光的發(fā)射質(zhì)量，脈沖發(fā)射的上升和下降時間決定測量精度，脈沖的峰值功率決定測量范圍。所以，設(shè)計高質(zhì)量、大功率的脈沖激光器驅(qū)動電路成為必須。

在實際的電路設(shè)計中，為了實現(xiàn)大功率需要加大電源的功率，這就增加了很大的成本，電路結(jié)構(gòu)也相應(yīng)的增大。在進行激光雷達的研究中，為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)小、探測精度高、探測范圍大的多線激光雷達，我們結(jié)合儲能元件的特性，提出并設(shè)計了一種基于儲能元件儲能、轉(zhuǎn)換和釋放原理的脈沖驅(qū)動電路，解決了低電壓環(huán)境下實現(xiàn)高能激光脈沖的輸出，經(jīng)過對儲能元件的分析、電路原理和電路參數(shù)的計算，完成了電路的設(shè)計，并采用Multisim 系統(tǒng)進行了仿真和實際測試，達到了預(yù)期的效果。

2 儲能元件

所謂儲能電路，就是利用儲能元件實現(xiàn)能量的瞬間轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)特定的電路功能，尤其在高速模擬電路的設(shè)計中經(jīng)常使用。能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間的高電壓和高電流。實際電路中，使用最多的儲能元件就是感性元件和容性元件，最為典型的就是我們電路中常用的電感和電容。在交流電路中，儲能元件的平均功率為零，即無功率消耗、無能量的消耗，只有能量的積累、轉(zhuǎn)換和輸出。含有儲能元件的電路，從一種穩(wěn)態(tài)變換到另一種穩(wěn)態(tài)必須要一段時間，這個變換過程就是電路的過渡過程，產(chǎn)生過渡過程的原因是能量不能躍變。電容存儲的是電荷，電感存儲的是磁通引起的材料極化能。

2.1 電容儲能分析

兩個相互靠近的導(dǎo)體，中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)，就構(gòu)成了電容器。當電容器的兩個極板之間加上電壓時，電容器就會儲存電荷。撤去電源，電容上的電荷依然能夠長久聚集，故能儲能，如圖1所示。

圖1 電容儲能特性Fig.1 Capacitor energy storage characteristics

電源

U

以電流

I

給電容充電，根據(jù)電容的基礎(chǔ)知識我們可知：

式中：

I

——充電電流；

q

——電荷；

C

——電容值；

t

——充電時間。

公式（1）表明，某一時刻充電電流與電容兩端電壓的變化率有關(guān)系，實際電路中，電流為有限值，則電容兩端的電壓不能躍變，為時間的連續(xù)函數(shù)，用公式（2）表示：

式中：

u

（

t

）——電壓對時間的函數(shù)；

u

（

t

）——

t

時刻的電壓值，也就是電壓初始值；

ξ

——電容元件的VCR 參數(shù)。

公式（2）表明，某一時刻電容兩端的電壓與該時刻之前的所有電流值有關(guān)，還與其初始電壓有關(guān)，因此，可以確定電容的“記憶功能”也就是儲能功能。可以在一段時間內(nèi)吸收外部供給的能量并轉(zhuǎn)化為電場儲存起來，在另一段時間又把能量釋放給回電路。

2.2 電感儲能分析

把金屬導(dǎo)線繞在一個骨架上就構(gòu)成了一個實際的電感線圈，具備了電感的基本功能，當電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，形成一種抵抗電流變化儲存磁能的元件。其基本特性就是當電流接通時它試圖去阻止電流，如果電流突然斷開，它又試圖維持電流不變，如圖2所示。

圖2 電感儲能特性Fig.2 Inductive energy storage characteristics

根據(jù)電感特性可知：

式中：

u

（

t

）——電壓對時間的函數(shù)；

ψ

——磁通量；

L

——電感值；

I

（

t

）——

t

時間內(nèi)流過電感的電流值。

由公式（3）可知，電感兩端電壓取決于電流的變化率，實際電路中，電感電壓為有限值，則電流不能躍變，是時間的連續(xù)函數(shù)。用公式（4）表示：

式中：

I

（

t

）——

t

時刻流過電感的電流值。

公式（4）表明，某一時刻電感的電流值與其初始電流值和之前所有時刻的電壓直有關(guān)，故電感具有電壓記憶功能，能夠儲存磁能。可以在一段時間內(nèi)吸收外部供給的能量并轉(zhuǎn)化為磁能儲存起來，在另一段時間內(nèi)在釋放給回路。

3 高功率脈沖驅(qū)動電路設(shè)計

3.1 電路設(shè)計指標

本文所介紹的激光雷達測距系統(tǒng)中，采用了非合作目標的方式進行距離測量。在此種方式下，激光脈沖在傳播過程中，功率會受到很多因素的影響，從而導(dǎo)致衰減十分嚴重。圖3 為激光雷達目標探測示意圖。本文所設(shè)計的激光雷達測距系統(tǒng)所測量的距離最大值為200m，屬于短距離測距，因此可以忽略激光在空氣中傳播的衰減。

圖3 激光雷達目標探測示意圖Fig.3 Schematic diagram of lidar target detection

一般情況下，接收激光脈沖的功率表達式，可以通過光學(xué)理論進行推導(dǎo)，用公式（5）表示：

式中：

P

——接激光脈沖功率；

T

——接收光學(xué)系統(tǒng)的激光透過率；

I

——接收到激光的強度；

A

——激光接收區(qū)域；

d

——測量距離；

P

——激光發(fā)射二極管的發(fā)射脈沖功率；

T

——發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的激光透過率；

T

——濾波透鏡的激光通過率；

ρ

——被測目標表面的反射率。按照系統(tǒng)的設(shè)計，

T

和

T

取值0.88，目標物表面最小反射率取0.1，

T

取值0.8，

A

取半徑為12mm 的圓的面積，則

本系統(tǒng)設(shè)計測量距離為200m，因此，可知

P

＝2

．

23×10

P

。本設(shè)計采用APD 探測器，其最小敏感功率為9.2nW，因此，激光發(fā)射功率

P

＝41.25W。根據(jù)所選用的中電四十四所的激光器905nm-50W手冊可知激光器達到41.25W 輸出功率、測量頻率為200kHz 時，其瞬時電流需要30A，脈沖寬度25nm。基于此參數(shù)設(shè)計激光器的驅(qū)動電路。

3.2 驅(qū)動電路設(shè)計

由于實現(xiàn)納秒級的驅(qū)動脈沖，因此，不能采用開關(guān)直接控制的方式，因為開關(guān)電路的延遲將會導(dǎo)致脈沖的失真。為了在低電壓條件下實現(xiàn)高功率的激光二極管的驅(qū)動，激光二極管的驅(qū)動電路采用電感和電容儲能轉(zhuǎn)換的方式設(shè)計，通過外部開關(guān)電路控制系統(tǒng)開關(guān)，實現(xiàn)高頻的電感、電容的儲能、轉(zhuǎn)換和釋放，由此，實現(xiàn)窄脈寬高功率高重復(fù)頻率的驅(qū)動電流。其電路原理如圖4所示。

圖4 儲能驅(qū)動電路原理Fig.4 Principle of energy storage drive circuit

當開關(guān)斷開時，充電電路為儲能電路儲存能量，當開關(guān)閉合時，儲能電路左端電位拉低，瞬間放電，形成電流回路，驅(qū)動LD 發(fā)出脈沖激光，圖4 中二極管為續(xù)流通道，電阻用于測試電流采樣。根據(jù)圖4 的原理，我們設(shè)計了圖5所示的激光二極管脈沖驅(qū)動電路。

在圖5 的電路中，開關(guān)的控制采用的是N 溝道的MOSFET，MOSFET 的驅(qū)動電路是一個NPN 型晶體管，充電電路是由防倒流二極管

D

、限流電阻和儲能電感組成。儲能電路由儲能電容

C

和續(xù)流二極管組成，采樣電阻

R

用于測試時的電流采樣。

圖5 儲能驅(qū)動電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of energy storage drive circuit

結(jié)合電路原理分析該電路的工作過程：

①當控制信號SIG_IN 為高電平時，MOSFET 導(dǎo)通，外部電源

V

通過

D

、

L

、

Q

構(gòu)成電流回路，

L

中儲存能量，其儲存能量大小可以表示為：

式中：

W

——電感的儲存能量；

L

——電感的感抗；

V

——系統(tǒng)供電電壓；

T

——驅(qū)動信號周期；

R

——回路總電阻。②當控制信號SIG_IN 為低電平時，MOSFET 截止，由于電感中的電流不能突變，因此，

L

通過

C

和

D

釋放能量，為

C

充電，能量轉(zhuǎn)換儲存在

C

中，

C

中的能量大小可以表示為：

式中：

W

——電容的儲存能量；

C

——儲能電容；

U

——充電電壓。③當控制信號SIG_IN 再次變?yōu)楦唠娖綍r，MOSFET 導(dǎo)通，除了①所述的工作過程外，由于電容

C

左側(cè)電壓被拉為零電平，導(dǎo)致

C

通過

Q

、地、

R

、

D

快速放電，形成瞬間高功率脈沖電流，驅(qū)動激光二極管

D

點亮。按照3.1 所述的電路指標，電流為30A，

R

和

Q

的內(nèi)阻為0.1Ω，則壓降為3V，激光器驅(qū)動電壓壓降為12V，則電容

C

的兩端電壓為15V。電容兩端電壓：

根據(jù)設(shè)計

t

＝25ns，

I

＝30A，

U

＝15V，可知：

C

＝50nF。按照式（7）可知：

由于電容

C

的能量來自電感

L

，所以可知：

按照公式（7）即可計算電感

L

的感抗為45μH。

4 電路仿真

在眾多的EDA 仿真軟件中，Multisim 軟件界面友好、功能強大、易學(xué)易用，受到電類設(shè)計開發(fā)人員的青睞。Multisim 用軟件方法虛擬電子元器件及儀器儀表，將元器件和儀器集合為一體，是原理圖設(shè)計、電路測試的虛擬仿真軟件。本設(shè)計采用Multisim14 對電路進行仿真，分析電路的實際效果。按照圖5 的電路和計算的理論參數(shù)，設(shè)置輸入信號為200kHz 的方波信號，該信號驅(qū)動晶體管控制MOSFET 導(dǎo)通和截止。電阻

R

為電壓采樣電阻，設(shè)置為0.1Ω。示波器連接在

R

兩端，測量加載在

R

上的電壓，由此觀察脈沖寬度和脈沖電壓，然后計算電路的實際輸出電流。經(jīng)過仿真，其電路仿真曲線如圖6所示。

圖6 Multisim 電路仿真圖Fig.6 Multisim circuit simulation diagram

在圖6 中，示波器的通道A 測量MOSFET 的輸入控制信號，通道2 通過連接

R

兩端，測量其兩端的電壓，觀察電路的實際輸出。從圖6（a）可以看出，MOSFET 的輸入信號頻率為200kHz，當該信號為高電平時MOSFET 導(dǎo)通，然后電阻兩端輸出一個尖峰電壓，電壓峰值3.0V 左右，從圖6（b）可以看出，該脈沖的脈沖寬度在30ns 左右，根據(jù)

R

的電阻值，可知脈沖峰值電流為30A，基本符合設(shè)計要求。需要注意的是脈沖輸出相對于MOSFET 控制信號變?yōu)楦唠娖接写蟾?00ns 的延時，分析這是由于電路的寄存電容導(dǎo)致的MOSFET 實際開通時間延時，可以采用開關(guān)速度高的MOSFET 和在電路中增加必要的平衡電容加以控制。

5 試驗分析

根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計了儲能型高功率脈沖驅(qū)動電路，并對電路進行了脈沖測試，測試結(jié)果完全符合設(shè)計要求，如圖7所示。

圖7 實際測試脈沖Fig.7 Actual test pulse

從圖7 可以看出，測試電壓峰值達到了0.8V，根據(jù)本次測試的采樣電路電阻為30mΩ，可知峰值電流達到了25A。經(jīng)脈沖重復(fù)頻率測試，達到了200kHz 的驅(qū)動重復(fù)頻率，目前，該電路已經(jīng)可以應(yīng)用于多線激光雷達的研制中，實現(xiàn)低電壓、高電流、窄脈沖的激光器驅(qū)動。

6 結(jié)束語

通過分析儲能元件的特性，說明了電子線路中儲能的原理，結(jié)合激光雷達測距系統(tǒng)的設(shè)計指標，提出了一種基于電感儲能轉(zhuǎn)化電容充放電的高功率脈沖激光器驅(qū)動電路設(shè)計方法，實現(xiàn)了低功率電路的高電流輸出。完成了電路的設(shè)計和仿真分析，并對電路進行了試驗測試和分析，仿真和測試結(jié)果均達到了設(shè)計要求。該方法能夠有效地積累外部能量，瞬間釋放，獲得高功率激光脈沖輸出，在小型多線激光雷達系統(tǒng)中具有實際應(yīng)用價值。