微型大电流窄脉宽半导体激光器电源的研究

脉冲激光电源设计的技术难点为:脉冲半导体激光器的激励阈值电流很大,即使是峰值7W的脉冲半导体激光器的阈值电流也要达到615A,在引信的电流电源上基本不可能直接提供这么大的输出电流,必须利用能量压缩技术,即把瞬时功率较小的能量通过一定时间(相对较长)存储在储能元件中,在适当时刻瞬时(相对较短的时间内)放出。在脉冲激光电源中一般使用电容作为储能元件,也可以使用传输线(可得到极快的上升沿)[ 1 ]。
 
另一个难点在于激光引信或激光测距应用场合,对激光脉冲的脉宽和上升沿要求非常高,通常在几纳秒到几十纳秒,然而,在实际产生窄脉冲大电流的电路中,脉宽和上升沿主要受开关器件速度和电路寄生参数(在大电流情况下寄生电感的影响尤其严重)的限制。随着器件的微型化和模块化,在满足功能和性能要求的前提下,体积越小就会越优。影响脉冲半导体激光器电源体积的重要因素之一是DC2DC变换器。鉴于半导体激光器电源体积小,参数要求苛刻的缺点,在参考大量文献和资料的基础上,通过理论分析和大量的反复实验,设计出面积小于1cm2,脉宽小于5n s,上升沿小于6n s,峰值电流大于20A的脉冲式激光电源。
 
脉冲半导体电源电路模型的建立和分析
图1给出了脉冲半导体激光器驱动电路的一般形式和相应的等效电路[ 2 ]。其中L为寄生电感(由于电路中有放电电容、开关元件、激光器,所以放电回路内部有寄生电感);C为储能电容;R为电路的总电阻,包括激光器等效电阻、开关元件电阻和电路串联电阻。为了减小体积储能元件一般选为电容,考虑到放电的速度,用晶体管来驱动功率MO SF ET管作为开关元件[ 3 ]。 D C-D C电路设计和分析
在激光探测和目标识别系统中,DC2DC变换电路是影响其体积的重要因素,从3～9V的直流电压变换到35V的直流电压以上,一般要在DC2DC的输出接一个MO SF ET管,电路的体积就会变得很大。在本实验中的DC2DC中用了一个电荷泵,使电压提高了一倍,体积并没有增大。其中DC2DC芯片体积也很小,这样DC2DC整体的体积也很小,面积为0125cm2。电路如图4所示。U1是低电压、内部带有DMO S开关的DC2DC转换器[ 6 ],其中V CC是输入端,L X是输出端,FB是 反 馈 端,输 出 电 压 的 大 小 与R1和R2有 关,VoutVREF=R1R2+1,这里VREF=1.  25V。并不是这里的输出值可以任意大,因为U1内部的MO SF ET管有一个耐压值40V。R1和R2的典型值需要调节。当L X为高电平时,开始给C3进行充电,使C3的电压达到40V左右;当L X为低电平时,C3开始给C1充电,与此同时L1也保持充电状态;当芯片的DMO S开关断开时,电感里的电流使D1和D3偏置,这样C4的输出电压就是C3和C1的电压总和。图4所示电路在5V的输入电压下,能够提供71V的输出电压。
 
本文通过对半导体激光器电源电路模型的建立和分析,经过大量的试验和分析,设计出了面积小于1cm2、脉宽小于5n s、上升沿小于6n s、电流大于20A的微型半导体激光器的电源模块。其中DC2DC模块的面积为0125cm2,电压输出可调范围宽,输入电压只有5V,性能可靠,功耗低。