CN102624278A - 大功率半导体激光器脉冲驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本发明大功率半导体激光器脉冲驱动电源属于电子设备的技术领域,结构有脉冲触发电路(1)、DC-DC升压电路(2)、电容储能电路(3)、高速开关电路(4)等四部分。其中电容储能电路(3)利用多个电容并联构成,高速开关电路(4)采用高速MOSFET元件作开关器件。本发明提供的用于驱动半导体激光器的脉冲驱动电源,输出电流幅度大于等于50安培,同时输出的脉冲电流上升时间小于等于30纳秒,脉冲电流宽度小于等于15纳秒,最大的重复频率为4KHz;采用高速MOSFET元件作为开关器件,保证输出电流脉冲具有良好的边沿特性;利用多个电容并联形成储能电路,实现大电流、窄脉冲信号的输出。
Description
技术领域
本发明属于电子设备的技术领域,特别涉及一种用于半导体激光器的大功率脉冲驱动电源。
背景技术
大功率半导体激光器是工业生产、军事国防等行业的固体激光器必需的泵浦光源,广泛应用于激光测距、核爆模拟、激光雷达传输、材料加工、微处理、热处理、打标定位等。另外大功率激光器还在手术治疗肿瘤、皮肤治疗、牙科治疗、光镇痛和光针灸、光学层析造影(OCT)等医学领域得到了广泛的应用。半导体激光器的性能受到温度因素的影响,其输出效率随着自身温度的升高而下降,也就是说半导体激光器对温度非常的敏感,如果在工作的过程中温度发生了改变,那么其工作就要受到影响,严重时甚至会烧毁元件。所以,控制好半导体激光器的温度,成为了所有半导体激光器驱动方式都需要解决的首要问题。
就半导体激光器的自身特点而言,最适合的激励方式是脉冲激励。脉宽非常窄的脉冲电流信号由于占空比非常低、脉冲宽度又非常窄(纳秒级),所以半导体激光器的发热量是非常小的,而发热量小反过来对其输出效率的影响就低,并且多数的脉冲驱动电路是不需要温度控制电路的,这大大的节省了成本,提高了可靠性。
目前国内有一些项目在研究半导体激光器的驱动电源,在已经公开发表的论文中可以找到类似的设计,汝玉星在2008年4月公开的硕士论文《数字式激光器驱动器的设计与实现》中提到了一种基于单片机控制的半导体激光器驱动电源的设计。但在上述公开的相关设计中,输出电流是恒流形式的,而不是脉冲的,且输出电流不大,最大电流只到2.5安培。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,提供一种用于驱动半导体激光器的脉冲驱动电源,输出电流幅度不小于50安培,同时输出的脉冲电流上升时间小于30纳秒,脉冲电流宽度小于15纳秒,最大的重复频率为4KHz。
上述的目的通过以下的技术方案实现:
1、一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源,其结构有脉冲触发电路1、DC-DC升压电路2、电容储能电路3、高速开关电路4四个部分;
所述的脉冲触发电路1,包括555芯片U1的1脚接地,电容C1一端与电容C2一端与555芯片U1的1脚相连接,电容C1的另一端与555芯片U1的2脚连接,电容C2的另一端与555芯片U1的5脚连接,555芯片U1的2脚与555芯片U1的6脚连接,可变电阻R1一端与555芯片U1的2脚相连接,另一端与555芯片U1的7脚连接;电阻R2一端与555芯片U1的7脚连接,另一端与555芯片U1的8脚连接,555芯片U1的8脚与+12V电源相连接并接在555芯片U1的4脚上;555芯片U1的3脚与74LS123芯片U2的1脚连接,74LS123芯片U2的16脚与555芯片U1的8脚连接,74LS123芯片U2的2脚与3脚连接在一起并与555芯片U1的4脚连接,74LS123芯片U2的14脚与8脚相连接并接于电容C3一端,电容C3另一端与74LS123芯片U2的15脚连接,74LS123芯片U2的15脚与可变电阻R3一端连接,可变电阻R3另一端与74LS123芯片U2的16脚相连接;74LS123芯片U2的8脚接地,13脚接脉冲触发电路1的输出端OUT1,输出端OUT1接高速开关电路4的输入端口IN3;
所述的DC-DC升压电路2,包括MC34063芯片U3的1脚与8脚相连,2脚与场效应管Q1栅极相连,场效应管Q1源极与地GND连接并与电容C4一端连接,电容C4另一端与MC34063芯片U3的3脚连接,MC34063芯片U3的4脚与地GND连接;MC34063芯片U3的8脚与电阻R4一端连接,电阻R4另一端与MC34063芯片U3的7脚连接,并与电感L1一端连接,电感L1另一端与场效应管Q1漏极连接,并与二极管D2阳极连接,二极管D2阴极与可变电阻R7一端连接,并通过两个并联的电容C5和电容C6接地,可变电阻R7另一端与MC34063芯片U3的5脚连接,并通过电阻R6接地;电阻R5一端与MC34063芯片U3的7脚连接,另一端与MC34063芯片U3的6脚连接,并接DC-DC升压电路2的输入端口IN1,该输入端口IN1接+12V电源,二极管D2的阴极接DC-DC升压电路2的输出端口OUT2,输出端口OUT2接电容储能电路3的输入端口IN2;
所述的电容储能电路3,包括电容C7~电容C12并联在一起,并联电容一端与地GND相连接,另一端接电容储能电路3的输出端口OUT3,输出端口OUT3接高速开关电路4的输入端口IN4,电阻R8一端接电容储能电路3的输出端口OUT3,另一端接电容储能电路3的输入端口IN2,输入端口IN2接DC-DC升压电路2输出端口OUT2;
所述的高速开关电路4,包括:IXDD404芯片U4的2脚与4脚连接,并接高速开关电路4的输入端口IN3,该输入端口IN3接脉冲触发电路1的输出端OUT1,IXDD404芯片U4的5脚与7脚相连接,并与DE150-101N09芯片U5的1脚连接,IXDD404芯片U4的6脚与+12V电源连接,并通过两个并联电容C14、C15接地,IXDD404芯片U4的3脚与地GND连接;DE150-101N09芯片U5的3脚、4脚、5脚、6脚连接在一起,并接电阻R10的一端,电阻R10的另一端接高速开关电路4的输入端口IN4,输入端口IN4接电容储能电路3的输出端口OUT3;DE150-101N09芯片U5的2脚与电阻R9一端连接,电阻R9的另一端接高速开关电路4的输出端OUT4;二极管D1的阳极与DE150-101N09芯片U5的2脚连接,阴极与输出端口OUT4连接;输出端口OUT4接负载LD的阳极,负载LD的阴极接地。
本发明有以下有益效果:
1、本发明设计的大功率半导体激光器脉冲驱动电源最大输出电流幅度能够大于等于50安培,输出的脉冲电流上升时间小于等于30纳秒,脉冲电流宽度小于等于15纳秒,最大的重复频率为4KHz。
2、采用高速MOSFET元件作为开关器件,利用其良好的通断特性保证输出电流脉冲具有良好的边沿特性。
3、利用多个电容并联形成储能电路,通过储能电路的放电效应实现大电流、窄脉冲信号的输出。
附图说明:
图1是本发明大功率半导体激光器脉冲驱动电源的系统框图。
图2是本发明的脉冲触发电路1的原理图。
图3是本发明的DC-DC升压电路2的原理图。
图4是本发明的电容储能电路3的原理图。
图5是本发明的高速开关电路4的原理图。
具体实施方式
结合附图,说明本发明各部分电路的具体结构。各实施例中,电路元件优选的参数见各实施例后的标注说明。
实施例1结合附图说明本发明的总体结构
本发明大功率半导体激光器脉冲驱动电源,由脉冲触发电路1、DC-DC升压电路2、电容储能电路3、高速开关电路4四部分组成,结构框图如图1所示。其中DC-DC升压电路2产生高压直流电压,连接到电容储能电路3上,电容储能电路存储能量,并与高速开关电路4连接,高速开关电路4在脉冲触发电路1所产生的触发信号的控制下,将电容储能电路3存储的能量释放,从而在负载LD上得到电流值很大的窄脉冲。
实施例2脉冲触发电路1
如图2所示,脉冲触发电路1包括:555芯片U1的1脚接地,电容C1与C2一端与555芯片U1的1脚相连接,C1的另一端与555芯片U1的2脚连接,C2的另一端与555芯片U1的5脚连接,555芯片U1的2脚与555芯片U1的6脚连接,可变电阻R1一端与555芯片U1的2脚相连接,另一端与555芯片U1的7脚连接。电阻R2一端与555芯片U1的7脚连接,另一端与555芯片U1的8脚连接,555芯片U1的8脚与+12V电源相连接并接在555芯片U1的4脚上。555芯片U1的3脚与74LS123芯片U2的1脚与连接,74LS123芯片U2的16脚与555芯片U1的8脚连接,74LS123芯片U2的2脚与3脚连接在一起并与555芯片U1的4脚连接,74LS123芯片U2的4、5、6、7、9、10、11、12脚空置。74LS123芯片U2的14脚与8脚相连接并接于电容C3一端,电容C3另一端与74LS123芯片U2的15脚连接,74LS123芯片U2的15脚与可变电阻R3一端连接,R3另一端与74LS123芯片U2的16脚相连接。74LS123芯片U2的8脚接地,13脚接脉冲触发电路1的输出端OUT1,该输出端OUT1接高速开关电路4的输入端口IN3。
上述实施例中可采用的器件型号可以分别选取:555芯片U1可采用NE555,电容C1、C2的取值均为10nF,电容C3的取值为10pF,可变电阻R1为电位器W203,电阻R2的取值为1KΩ,可变电阻R3为电位器W204。
实施例3DC-DC升压电路2
如图3所示,DC-DC升压电路2包括:MC34063芯片U3的1脚与8脚相连,2脚与场效应管Q1栅极相连,Q1源极与地GND连接并与电容C4一端连接,C4另一端与MC34063芯片U3的3脚连接,MC34063芯片U3的4脚与地GND连接。MC34063芯片U3的8脚与电阻R4一端连接,R4另一端与MC34063芯片U3的7脚连接,并与电感L1一端连接,电感L1另一端与场效应管Q1漏极连接,并与二极管D2阳极连接,二极管D2阴极与可变电阻R7一端连接,并通过两个并联的电容C5和C6接地,R7另一端与MC34063芯片U3的5脚连接,并通过电阻R6接地。电阻R5一端与MC34063芯片U3的7脚连接,另一端与MC34063芯片U3的6脚连接,并接DC-DC升压电路2的输入端口IN1,该输入端口IN1接+12V电源,二极管D2的阴极接DC-DC升压电路的输出端口OUT2,该输出端口OUT2接电容储能电路3的输入端口IN2。
上述实施例中可采用的器件型号可以分别选取:电阻R4的取值为100Ω,电阻R5的取值为0.5Ω,电阻R6的取值为1KΩ,可变电阻R7为电位器W105,电容C4的取值为500pF,电容C5的取值为33μF,电容C6的取值为0.1μF,电感L1的取值为100μH,二极管D2为1N4007,场效应管Q1为IRF640。
实施例4电容储能电路3
如图4所示,电容储能电路3包括电容C7、C8、C9、C10、C11、C12并联在一起,并联电容一端与地GND相连接,另一端接本电容储能电路3的输出端口OUT3,该输出端口OUT3接高速开关电路4的输入端口IN4,电阻R8一端接电容储能电路3的输出端口OUT3,另一端接电容储能电路3的输入端口IN2,该输入端口IN2接DC-DC升压电路2输出端口OUT2。由于电容储能电路采用多个电容并联进行储能,从而可得到幅度大于50安培,脉冲电流宽度小于15纳秒的大电流、窄脉冲输出信号。
上述实施例中可采用的器件型号可以分别选取:电容C7、C8、C9、C10、C11、C12的取值均为5nF,电阻R8的取值为1KΩ。
实施例5高速开关电路4
如图5所示,高速开关电路4包括:IXDD404芯片U4的2脚与4脚连接,并接高速开关电路4的输入端口IN3,该输入端口IN3接脉冲触发电路1的输出端OUT1,IXDD404芯片U4的5脚与7脚相连接,并与DE150-101N09芯片U5的1脚连接,IXDD404芯片U4的6脚与+12V电源连接,并通过两个并联电容C14、C15接地,IXDD404芯片U4的3脚与地GND连接。DE150-101N09芯片U5的3脚、4脚、5脚、6脚连接在一起,并接电阻R10的一端,电阻R10的另一端接高速开关电路4的输入端口IN4,该输入端口IN4接电容储能电路3的输出端口OUT3。DE150-101N09芯片U5的2脚与电阻R9一端连接,电阻R9的另一端接高速开关电路的输出端OUT4。二极管D1的阳极与DE150-101N09芯片U5的2脚连接,阴极与输出端口OUT4连接。输出端口OUT4接负载LD的阳极,LD的阴极接地。由于高速MOSFET芯片DE150-101N09具有良好的通断特性,从而使得输出电流脉冲具有良好的边沿特性,上升时间小于30纳秒。
上述实施例中可采用的器件型号可以分别选取:电容C14、C15的取值均为22nF,电阻R9的取值为0.5Ω,电阻R10的取值为1Ω,二极管D1为1N4007。
Claims (5)
1.一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源,其结构有脉冲触发电路(1)、DC-DC升压电路(2)、电容储能电路(3)、高速开关电路(4)四个部分;
所述的脉冲触发电路(1),包括555芯片U1的1脚接地,电容C1一端与电容C2一端与555芯片U1的1脚相连接,电容C1的另一端与555芯片U1的2脚连接,电容C2的另一端与555芯片U1的5脚连接,555芯片U1的2脚与555芯片U1的6脚连接,可变电阻R1一端与555芯片U1的2脚相连接,另一端与555芯片U1的7脚连接;电阻R2一端与555芯片U1的7脚连接,另一端与555芯片U1的8脚连接,555芯片U1的8脚与+12V电源相连接并接在555芯片U1的4脚上;555芯片U1的3脚与74LS123芯片U2的1脚连接,74LS123芯片U2的16脚与555芯片U1的8脚连接,74LS123芯片U2的2脚与3脚连接在一起并与555芯片U1的4脚连接,74LS123芯片U2的14脚与8脚相连接并接于电容C3一端,电容C3另一端与74LS123芯片U2的15脚连接,74LS123芯片U2的15脚与可变电阻R3一端连接,可变电阻R3另一端与74LS123芯片U2的16脚相连接;74LS123芯片U2的8脚接地,13脚接脉冲触发电路(1)的输出端OUT1,输出端OUT1接高速开关电路(4)的输入端口IN3;
所述的DC-DC升压电路(2),包括MC34063芯片U3的1脚与8脚相连,2脚与场效应管Q1栅极相连,场效应管Q1源极与地GND连接并与电容C4一端连接,电容C4另一端与MC34063芯片U3的3脚连接,MC34063芯片U3的4脚与地GND连接;MC34063芯片U3的8脚与电阻R4一端连接,电阻R4另一端与MC34063芯片U3的7脚连接,并与电感L1一端连接,电感L1另一端与场效应管Q1漏极连接,并与二极管D2阳极连接,二极管D2阴极与可变电阻R7一端连接,并通过两个并联的电容C5和电容C6接地,可变电阻R7另一端与MC34063芯片U3的5脚连接,并通过电阻R6接地;电阻R5一端与MC34063芯片U3的7脚连接,另一端与MC34063芯片U3的6脚连接,并接DC-DC升压电路(2)的输入端口IN1,该输入端口IN1接+12V电源,二极管D2的阴极接DC-DC升压电路(2)的输出端口OUT2,输出端口OUT2接电容储能电路(3)的输入端口IN2;
所述的电容储能电路(3),包括电容C7~电容C12并联在一起,并联电容一端与地GND相连接,另一端接电容储能电路(3)的输出端口OUT3,输出端口OUT3接高速开关电路(4)的输入端口IN4,电阻R8一端接电容储能电路(3)的输出端口OUT3,另一端接电容储能电路(3)的输入端口IN2,输入端口IN2接DC-DC升压电路(2)输出端口OUT2;
所述的高速开关电路(4),包括:IXDD404芯片U4的2脚与4脚连接,并接高速开关电路(4)的输入端口IN3,该输入端口IN3接脉冲触发电路(1)的输出端OUT1,IXDD404芯片U4的5脚与7脚相连接,并与DE150-101N09芯片U5的1脚连接,IXDD404芯片U4的6脚与+12V电源连接,并通过两个并联电容C14、C15接地,IXDD404芯片U4的3脚与地GND连接;DE150-101N09芯片U5的3脚、4脚、5脚、6脚连接在一起,并接电阻R10的一端,电阻R10的另一端接高速开关电路(4)的输入端口IN4,输入端口IN4接电容储能电路(3)的输出端口OUT3;DE150-101N09芯片U5的2脚与电阻R9一端连接,电阻R9的另一端接高速开关电路(4)的输出端OUT4;二极管D1的阳极与DE150-101N09芯片U5的2脚连接,阴极与输出端口OUT4连接;输出端口OUT4接负载LD的阳极,负载LD的阴极接地。
2.根据权利要求1所述的大功率半导体激光器脉冲驱动电源,其特征在于,所述的脉冲触发电路(1)中所用的555芯片U1采用NE555,电容C1、电容C2的取值均为10nF,电容C3的取值为10pF,可变电阻R1为电位器W203,电阻R2的取值为1KΩ,可变电阻R3为电位器W204。
3.根据权利要求1所述的大功率半导体激光器脉冲驱动电源,其特征在于,所述的DC-DC升压电路(2)中所用的电阻R4的取值为100Ω,电阻R5的取值为0.5Ω,电阻R6的取值为1KΩ,可变电阻R7为电位器W105,电容C4的取值为500pF,电容C5的取值为33μF,电容C6的取值为0.1μF,电感L1的取值为100μH,二极管D2为1N4007,场效应管Q1为IRF640。
4.根据权利要求1所述的大功率半导体激光器脉冲驱动电源,其特征在于,所述的电容储能电路(3)中所用的电容C7~电容C12的取值均为5nF,电阻R8的取值为1KΩ。
5.根据权利要求1所述的大功率半导体激光器脉冲驱动电源,其特征在于:所述的高速开关电路(4)所用的电容C14、C15的取值均为22nF,电阻R9的取值为0.5Ω,电阻R10的取值为1Ω,二极管D1为1N4007。
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