CN102595721B - 半导体发光器件高精度智能化集成驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体发光器件高精度智能化集成驱动电源，其结构包括有脉冲编码控制模块、高精度供电模块、隔离整形放大模块、正弦调制输出模块和脉冲电流输出模块等五个组成部分。本发明是一种具有电流脉宽易调的智能化集成驱动电路，可以满足不同波长半导体发光器件的驱动需求，减小检测装置的体积和重量，增加新的光场模拟驱动功能，实现多种波长激光光场模拟器的综合化、集成化和智能化。本发明驱动电源能够产生高稳定度的可调连续正弦电流，可以满足不同相位测距模拟光源的驱动需求，从而实现对相位测距模拟光源的驱动。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源装置，具体地说是一种半导体发光器件高精度智能化集成驱动电源。
背景技术
不同用途的激光仪器设备，其激光发射波长、光功率以及脉冲宽度等各有不同，如：激光脉冲测距仪的发射波长一般为1.55μm，光脉冲宽度为10μs；激光制导仪器设备的发射波长一般为1.06μm，光脉冲宽度为20～60μs；红外相位测距仪的发射波长一般为0.86μm，而发射光波则为连续正弦波。
为实现对这些不同波长的激光仪器设备的接收系统性能参数的非接触、不解体的无损检测，往往需要使用对应波长的模拟激光光源来模拟相应激光仪器设备发射系统的光场信息。根据光场信息参数的不同，模拟激光光源通常选用半导体发光二极管(LED)或半导体激光二极管(LD)作为发光器件，而LD和LED都是电流驱动型发光器件，只要给它们提供一定编码波形的电流，就能发出相应激光光场的模拟光波。
对于不同波长的模拟激光光源，目前是采用对不同波长发光器件进行单独驱动的工作模式，即制成各自独立的驱动电路板。这样做的结果，既增加了检测装置的体积、重量和成本，又要手动切换模拟激光光源中的各个驱动电源，操作繁琐、智能化程度不高，更重要的一点是在模拟激光光源中没有高频高稳连续正弦波输出的相位测距模拟光源的驱动电源。
国内半导体激光器脉冲驱动电源的开发大多处于实验阶段，很难同时产生脉冲宽度调节范围大、峰值电流调节精度高、边沿速度好的智能化集成驱动电源。查阅的文献资料表明：采用雪崩晶体三极管的驱动电源输出脉宽可以达到纳秒级甚至皮秒级，但是其输出脉冲信号的脉宽、峰值电流、频率等都受限于雪崩管本身的特性参数，不能随意调节。而采用金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)的驱动电源，目前脉宽也可达到十纳秒以内，但是这种驱动电源的输出脉冲调节范围较小，电流调节的精度不高；还有的驱动电源采用改变触发脉冲宽度的方法实现输出脉冲宽度在一定范围内的调节，但是，这种驱动电源无法实现在短脉宽范围内(5-30ns)的调节，而且驱动电源中脉宽和电流的调节都是通过调节滑动变阻器来实现的，其调节精度以及智能化程度明显受限。同时这些驱动电源都不能提供高稳定的可调正弦电流输出，无法满足诸如相位测距模拟光源等新的驱动需求。
发明内容
本发明的目的就是提供一种电流脉宽易调且具有稳定可调正弦电流输出的半导体发光器件高精度智能化集成驱动电源，以解决不同波长半导体发光器件难以集成驱动的问题。
本发明是这样实现的：一种半导体发光器件高精度智能化集成驱动电源，包括有：
脉冲编码控制模块，分别与高精度供电模块、隔离整形放大模块、正弦调制输出模块和脉冲电流输出模块相接，用于实现对各个模块的智能化控制，并提供相应的脉冲编码信号。
脉冲编码控制模块，分别与高精度供电模块、隔离整形放大模块、正弦调制输出模块和脉冲电流输出模块相接，用于向所连接的各模块发出控制指令，并提供脉冲编码信号；
高精度供电模块，分别与所述脉冲编码控制模块和脉冲电流输出模块相接，用于提供高精度充电电压；
隔离整形放大模块，分别与所述脉冲编码控制模块和脉冲电流输出模块相接，用于对所述脉冲编码控制模块发出的脉冲编码信号进行整形放大和与内部高速瞬变大电流的隔离；
正弦调制输出模块，与所述脉冲编码控制模块相接，用于输出高稳定度的可调正弦电流；以及
脉冲电流输出模块，分别与所述隔离整形放大模块和所述高精度供电模块相接，用于输出可调电流和脉宽的脉冲电流。
本发明所述脉冲编码控制模块是由单片机与可编程逻辑器件FPGA连接组成，单片机和可编程逻辑器件FPGA共同完成控制和切换任务，同时可编程逻辑器件FPGA根据输出需要提供对应的脉冲编码信号。
所述高精度供电模块是由基准电压电路、高精度电压控制电路和升压电路依次连接组成，根据输出脉冲电流的需要，输出相应的高精度电压值。
所述隔离整形放大模块是由隔离电路与栅极驱动电路连接组成。
所述正弦调制输出模块是由D/A转换器、滤波电路、可调恒流源以及加法器连接组成，用以提供高稳定度的可调正弦电流输出。
所述脉冲电流输出模块是由高速MOSFET、冲击脉冲产生电路、矩形脉冲产生电路、匹配与削峰电路连接组成，用以对输出的脉冲电流进行宽范围的脉宽调节。
本发明的主要特点，一是设有正弦调制输出模块和脉冲电流输出模块，二者有机结合，既可以输出可调的正弦调制电流，也可以输出电流脉宽易调的脉冲电流，并且调节精度高；二是在脉冲电流输出模块中采用冲击脉冲产生电路与矩形脉冲产生电路相结合的结构模式，实现了输出电流脉冲宽度的大范围调节；三是智能化、集成化程度高，可以满足不同波长的半导体发光器件以及相位测距模拟光源的驱动需求，综合通用性强，性价比高，在光电模拟检测仪器设备的综合化方面具有广阔的推广应用前景。
本发明是一种可以满足不同波长发光器件驱动需求的电流脉宽易调且具有可调正弦电流输出的高精度智能化集成驱动电路，其中脉宽在8ns-500μs之间任意调节，最大输出电流为20A，调节精度可达微安级，正弦电流输出幅值为0-15A。
本发明驱动电源是一种具有电流脉宽易调的智能化集成驱动电路，可以满足不同波长半导体发光器件的驱动需求，减小检测装置的体积和重量，增加新的光场模拟驱动功能，实现多种波长激光光场模拟器的综合化、集成化和智能化。
本发明驱动电源能够实现输出电流的精确控制，使半导体发光器件的光功率能够灵活改变，因而能够检测各种不同激光仪器设备接收系统的灵敏度及测距、制导等性能指标。
本发明驱动电源能够产生高稳定度的可调连续正弦电流，可以满足不同相位测距模拟光源的驱动需求，从而实现对相位测距模拟光源的驱动。
附图说明
图1是本发明的电路结构框图。
图2是正弦调制输出模块的电原理图。
图3是脉冲电流产生模块的电原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括有脉冲编码控制模块、高精度供电模块、隔离整形放大模块、正弦调制输出模块和脉冲电流输出模块等五个组成部分。其中，脉冲编码控制模块是由单片机与可编程逻辑器件FPGA连接组成；高精度供电模块是由基准电压电路、高精度电压控制电路和升压电路依次连接组成；隔离整形放大模块是由隔离电路与栅极驱动电路连接组成；正弦调制输出模块是由D/A转换器、滤波电路、可调恒流源与加法器连接组成；脉冲电流输出模块是由高速MOSFET、冲击脉冲产生电路、矩形脉冲产生电路、匹配与削峰电路连接组成。
本发明的输出部分是由脉冲电流输出模块和正弦调制输出模块有机结合而成，由脉冲编码控制模块进行统一控制切换。
本发明的工作流程是：首先，根据输出需要，由脉冲编码控制模块选择对应的输出模块。如果需要的是正弦调制电流输出，则由可编程逻辑器件FPGA控制D/A转换器经滤波电路输出正弦电流，同时FPGA根据输出需要，控制可调恒流源输出一定幅值的高稳定电流，两种电流信号经加法器叠加后，即可输出需要的正弦调制电流。如果需要的是脉冲电流输出，则由可编程逻辑器件FPGA发出相应的脉冲编码信号(就是一定频率和占空比的时钟信号)，此脉冲编码信号经过隔离整形放大模块后，获得上升沿和下降沿快速且具有一定幅值的脉冲电压，此脉冲电压作为高速MOSFET的栅极驱动信号，控制高速MOSFET的导通与关闭。当高速MOSFET关闭时，由单片机根据输出电流大小的需要，控制高精度供电模块输出高精度的充电电压，对设置于冲击脉冲产生电路或矩形脉冲产生电路中的储能电容进行充电；一旦高速MOSFET导通，储能电容就会通过相应的放电电路(冲击脉冲产生电路或者矩形脉冲产生电路)释放储存的电荷，从而输出需要的脉冲电流。
如图2所示，本发明中的正弦调制输出模块是由可调恒流源、14位的D/A转换器、滤波电路以及加法器连接组成。脉冲编码控制模块中的可编程逻辑器件FPGA向正弦调制输出模块发出控制信号，使D/A转换器产生近似正弦波的电流信号，经滤波电路滤除高频成分，得到正弦电流信号；同时可编程逻辑器件FPGA根据输出需要，控制数控电位器R2，使可调恒流源输出高稳定度的恒定电流，两个电流信号在加法器中叠加后，输出需要的正弦调制信号。
可调恒流源是正弦调制输出模块的核心，它由运算放大器、MOSFET(图2中的Q1)、数控电位器R2、稳压二极管D1以及恒流二极管D2连接组成，利用稳压二极管D1使恒流二极管D2的阳极保持恒定电位，恒流二极管的电流I1几乎全部流过数控电位器R2，在数控电位器R2上产生一定的电压降(V1)，而取样电阻R1上的压降也应等于V1，所以输出恒流的大小为：I0＝V1/R1+I1＝(R2/R1+1)I1。可调恒流源输出电流大小的调节，是由可编程逻辑器件FPGA控制数控电位器R2来完成的。
可调恒流源的稳流原理是：利用高速MOSFET的栅极电压控制漏极电流的特性以及负反馈原理，当输出电流变大时，取样电阻R1上的压降增大，运算放大器反向输入端电压因而上升，这将使Q1的栅极电压下降，Q1的导通变差，因而使输出电流回到设定的数值，使恒流源输出稳定度很高的电流。
对可调恒流源输出电流的调节，是为了满足不同相位测距模拟光源的阈值需求，保证模拟光源能够正常发光，使D/A转换器输出的正弦电流在恒定电流的基础上进行正弦调制，这样就可以保证不同模拟光源一直导通输出需要的正弦光脉冲。可调恒流源的稳定度保证了光脉冲正弦波形的稳定度，从而可以保证相位测距模拟检测的精度。
本发明中的脉宽电流易调的脉冲电流输出模块是本发明的核心部分。其中，冲击脉冲产生电路的优点是通过优化电路参数，可以产生10ns以内的脉宽，但是脉宽的调节需要通过控制储能电容的大小来实现，调节范围窄、精度低。而矩形脉冲产生电路的优点在于脉宽的调节是通过可编程逻辑器件FPGA的控制来实现，调节精度高、连续性好，但是要受开关器件——高速MOSFET的响应速度的影响，不能产生超窄的脉宽。为了得到较大的脉冲宽度调节范围(几纳秒到几百微秒)，本发明将冲击脉冲产生电路与矩形脉冲产生电路有机结合在一起，由脉冲编码控制模块发出指令，通过控制数控单刀单掷开关(图3中的J1)的开闭来选择需要的放电回路。
如图3所示，当需要较窄的脉冲宽度(8～30ns)时，单片机控制单刀单掷开关J1打开，此时即选择冲击脉冲产生电路，该电路中的储能电容C1为可变电容且容值较小(10～100pF)，选择合适的参数，使放电电路能够产生振荡放电，脉冲编码控制模块输出指定的脉冲编码信号，控制高速MOSFET的导通时间大于放电电路的放电时间，通过改变放电回路中储能电容C1的大小来控制放电时间，从而实现8～30ns之间的脉宽调节。当需要30ns～500μs之间的任意脉宽时，单片机控制单刀单掷开关J1闭合，此时即选择矩形脉冲产生电路，该电路中的储能电容C2的容值较大(3～5μF)，放电时间相对较长，脉冲编码控制模块产生相应的脉冲编码信号，控制高速MOSFET的导通时间小于放电电路的放电时间，通过精确控制FPGA的脉冲编码信号的频率和占空比，即可实现三十纳秒到几百微秒之间脉宽的任意调节。由于矩形脉冲产生电路中的储能电容C2的容值的大小决定了脉冲宽度的最大值，所以为了得到更大的脉冲宽度，可以选择更大容量的储能电容，相应也需要提高充电电压值。
脉冲电流输出模块的电流调节和精度的保证，是通过调节高精度供电模块的输出电压来实现的。如图3所示，本发明中的高精度供电模块是由15V基准电压、12位D/A转换器、运算放大电路和射极跟随器依次连接组成。15V基准电压作为12位D/A转换器的参考电压Vref输入，12位D/A转换器的控制精度达1/212，输出电压范围为0～4095/4096Vref，运算放大电路将12位D/A转换器的输出电压放大后输出需要的电压值，则高精度供电模块的输出电压范围即为0～(4095/4096)N[Vref(其中N为放大器的放大倍数)，控制精度为N/4096；同时，将射极跟随器放在高精度供电模块的末级，可降低输出阻抗，提高本驱动电源的带负载能力。根据输出指标的要求，由单片机控制高精度供电模块给出精确的充电电压，以此控制储能电容的电荷量，从而实现高精度的电流调节。
为了保证冲击脉冲产生电路能够产生10ns以内的脉宽，必须将放电回路的电感尽可能地减小。本发明采用数控单刀单掷开关J1代替单刀双掷开关，并将其放置于矩形脉冲产生电路中。在需要冲击脉冲时将该开关打开，这样，冲击脉冲产生电路就不会受到在开关J1中封装的电感的影响。而由于矩形脉冲产生电路的脉宽较大，受电感的影响较小，所以，在该开关闭合时，就由两个储能电容(C1、C2)并联同时放电，以得到需要的脉冲电流。
Claims (1)
1.一种半导体发光器件高精度智能化集成驱动电源，其特征是，包括有：
脉冲编码控制模块，分别与高精度供电模块、隔离整形放大模块、正弦调制输出模块和脉冲电流输出模块相接，用于向所连接的各模块发出控制指令，并提供脉冲编码信号；
高精度供电模块，分别与所述脉冲编码控制模块和脉冲电流输出模块相接，用于提供高精度充电电压；
隔离整形放大模块，分别与所述脉冲编码控制模块和脉冲电流输出模块相接，用于对所述脉冲编码控制模块发出的脉冲编码信号进行整形放大和与内部高速瞬变大电流的隔离；
正弦调制输出模块，与所述脉冲编码控制模块相接，用于输出高稳定度的可调正弦电流；以及
脉冲电流输出模块，分别与所述隔离整形放大模块和所述高精度供电模块相接，用于输出可调电流和脉宽的脉冲电流；
所述脉冲编码控制模块是由单片机与可编程逻辑器件FPGA连接组成；
所述高精度供电模块是由基准电压电路、高精度电压控制电路和升压电路依次连接组成；
所述隔离整形放大模块是由隔离电路与栅极驱动电路连接组成；
所述正弦调制输出模块是由D/A转换器、滤波电路、可调恒流源及加法器连接组成；所述脉冲编码控制模块中的所述可编程逻辑器件FPGA向所述正弦调制输出模块发出控制信号，使所述D/A转换器产生近似正弦波的电流信号，经所述滤波电路滤除高频成分，得到正弦电流信号；所述可编程逻辑器件FPGA控制所述可调恒流源输出恒定电流；两个电流信号在所述加法器中叠加后，输出需要的正弦调制信号；
所述脉冲电流输出模块是由高速MOSFET、冲击脉冲产生电路、矩形脉冲产生电路、匹配与削峰电路连接组成；在需要脉冲电流输出时，由所述可编程逻辑器件FPGA发出相应的脉冲编码信号，此脉冲编码信号经过所述隔离整形放大模块获得上升沿和下降沿快速且具有一定幅值的脉冲电压，此脉冲电压作为所述高速MOSFET的栅极驱动信号，控制所述高速MOSFET的导通与关闭；在所述高速MOSFET关闭时，由所述单片机根据输出电流大小的需要，控制所述高精度供电模块输出高精度的充电电压，对设置于所述冲击脉冲产生电路或所述矩形脉冲产生电路中的储能电容进行充电；在所述高速MOSFET导通时，所述储能电容通过放电电路释放储存的电荷，输出需要的脉冲电流。
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