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适用于激光引信的脉冲半导体激光电源研制

激光引信是随着激光技术的快速发展而出现一种新型近炸引信,由于激光引信具有引信脉冲窄、定距精度高、引战配合效率高、引爆时间准、命中率高、抗综合干扰能力强等特点,已备受各个国家重视并得到研制。在实际的激光引信装置中,系统带宽、定距精度、作用距离、抗干扰能力等指标的优越性能都取决于半导体激光器发射的光脉冲质量。质量高的激光脉冲具有上升沿时间短、峰值功率高、脉宽窄、重复率高等特点。激光脉冲质量的主要影响因素是驱动电源的性能。目前,通用的脉冲半导体驱动电源采用高压供电,功耗大,脉冲上升沿平缓,脉宽时间长等因素,制约着激光引信的实际应用。
针对上述特点,本文设计出适用于激光引信的窄脉冲半导体激光器驱动电源装置,该驱动电源低压供电,功耗小,脉冲电流上升沿时间可达到纳秒级,脉宽窄,峰值功率高。

1半导体激光电源
适用于激光引信的新型窄脉冲半导体激光驱动电源,结构上包括驱动电路,开关电路和反馈电路。其中驱动电路为后级开关电路提供一个上升沿陡峭,脉宽窄,峰值电流大的控制信号。开关电路采用高速金属氧化物半导体场效应管作为开关,为激光器提供一个重复率高、上前沿快、脉宽窄、脉冲峰值电流大的脉冲信号,而且输出的激光脉冲波形平滑。反馈电路主要由采样电路和差分放大电路组成,为输出脉冲电流的稳定提供保障。

1.1半导体激光电源驱动电路
驱动电路对原始的控制输入信号进行整形、提高驱动能力、提升驱动电压,为后级开关电路提供一个上升沿快,脉宽窄,峰值电流大的控制信号,该控制信号性能指标与最终输出脉冲电流指标息息相关。驱动电路由OCL电路和MOS管驱动电路组成。OCL电路选择B值小、基极输入电流大、响应时间短的功率晶体三极管NECB772和NECB882。MOS管专业驱动芯片选择著名半导体公司IXYS公司的芯片IXDD415,该芯片最大驱动电流ax=I5A,输入电压范围大,在8-30V均可,信号上升下降时间小于3ns,最小的脉宽6ns。
脉冲激光器驱动电路
1.2半导体激光电源开关电路
开关电路包括加速导通和快速关断电路、MOSFET保护电路以及MOSFET为核心的驱动电路组成,是整个电路设计的核心。在加速导通和快速关断电路中,如图1所示,电路前级输入高电平信号时,驱动电流经过C1、二极管D1和Rg给MOS管等效输入电容Ciss充电,MOSFET开始导通,其中c1是加速电容,D1是快速导通二极管,期间三极管Q1截止;前级输入低电平时,Ql导通,栅极放电电流并不回流到前级驱动模块,而是通过Q1的发射极、集电极和R2形成放电回路。由于放电过程中Vgs=O.7V时Q1就截止,栅极电荷不完全释放,故加R3放走剩余电荷,消除电荷积累。此电路中Rg除了控制栅极电流大小,还能消除振荡。在MOSFET的高频等效电路中,漏极存在寄生电感Ls.Ls串联在MOSFET栅极充放电电路中,与Ciss构成高Q值得振荡电路,易引起MOSFET在一个脉宽时间重复导通和截止。

1.3半导体激光电源反馈电路
反馈电路是由采样电路和差分放大电路组成。采样电路中的电阻是lW、lOm欧姆精密电阻。差分放大电路中的运放是高速运放,这里选用的是AD811,其摆率sR值高达2500V/S。工作原理如下:运放1通过采集采样电阻两端的电压进行差分放大,电压输出送入运放2的输入端,与原始控制信号进行差分放大输出,输出的信号经过整形再驱动MOSFET,这样形成一个闭合的负反馈回路。反馈电路保证脉冲电流输出稳定,保证激光器的正常工作。

激光引信广泛应用于航空炸弹、火箭、飞航导弹以及反坦克导弹上,是激光技术在引信上的一个发展趋势。本文中设计的脉冲半导体激光器驱动电源产生的光脉冲重复率高达20KHz,在常规供电24V时,峰值功率可达30W,上升沿3.4ns,脉冲宽度7.2ns,完全满足激光近炸引信对激光器驱动模块要求体积小、高重复率、脉冲窄、功率高、能耗低等特点,为提高常规弹药作战效能提供参考。该激光驱动电源也可应用到激光通信、激光探测、激光测距中,具有广泛的应用前景。
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