CN103280694A

CN103280694A - 基于fpga的高功率脉冲半导体激光器的驱动电源装置

Info

Publication number: CN103280694A
Application number: CN2013101983903A
Authority: CN
Inventors: 李智; 王强
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的高功率窄脉冲半导体激光器驱动电源装置。所述电源包括FPGA主控芯片模块、A/D转换电路、D/A转换电路、脉冲整形电路、场效应管驱动电路、驱动功率电路、半导体制冷器驱动模块、温度采集放大电路。其中FPGA主控芯片模块输出控制信号，A/D转换电路和FPGA主控芯片模块以及脉冲整形电路组成一个限流反馈，根据输出的电流给出反馈的信号。本电源可实现功能有：产生的电流脉冲连续可调，具体表现为峰值电流30A～150A；重复频率0～1000Hz；脉冲宽度50μS～500μS；工作电压0～500V，功率因数大于0.96，它有效的解决了当前半导体激光器功率低，功率因数小等问题，产生的脉冲质量好，也大大的提高了半导体激光器的寿命。

Description

基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器的驱动电源装置

技术领域

本发明属于半导体激光器驱动技术领域，特别涉及一种基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器驱动电流的精确控制。

背景技术

近年来半导体激光器以转换效率高、体积小、质量轻、可靠性高、寿命长、能直接调制以及能与其他半导体器件集成等优势近年来发展一直很迅猛，半导体激光器脉冲高清晰的分辨率和超大的功率密度为许多研究领域提供了强有力的方法，例如在激光通信、激光测距、激光雷达等领域的应用，对于国防科技和医学研究方面的发展都将产生深远的影响。不管是激光探测、激光通信还是激光制导、激光雷达都取决于激光脉冲质量，具体表现在脉冲激光的上升沿时间越短，测量精度越高；峰值功率越高，测量距离的能力越强；脉冲宽度越窄，信噪比越高。所以高功率半导体激光器要获得质量很好的光脉冲，需要脉冲能量大、脉宽窄、重复率高、上升沿快、脉冲幅值高。而且输出的激光脉冲的波形要平滑，激光输出的功率和中心波长要稳定。然而激光脉冲的质量直接取决于半导体激光器驱动电源的性能。但是在国内虽然有不少的高校和研究机构开展脉冲半导体激光器驱动电源的研制工作，也取得了一定的成绩，但是研究成果方面不甚理想，而且国内研制的激光器电源功率小、体积大、稳定度低，不能和大功率半导体激光器的技术同步发展，不能满足使用的需要。在公开的技术中，控制部分多采用数字闭环电路，微控制器经过采样当前半导体激光器工作的数据，进行分析计算后输出控制信号。缺点是：闭环电路这一系列处理过程过于复杂，耗时太长，很难做到实时响应激光器的工作状态变化，不利于半导体激光器电流的精确控制。

发明内容

本发明是为了赶上世界先进技术的步伐，满足社会需求，适应高功率窄脉冲半导体激光器的发展，提出了一种应用于高功率高电压脉冲半导体激光器的驱动电源，该驱动电源利用FPGA微控制器对输出的脉冲电流连续可调，输出电流脉冲具有脉宽窄、峰值功率高、上升沿时间短、重复频率高等特点。根据社会上对激光器的用途不同，该驱动电源可灵活的输出不同指标的电流脉冲。

本发明的技术方案如下：

一种基于FPGA的高功率窄脉冲半导体激光器驱动电源装置，结构包括微控制器1、键盘输入电路2、脉冲整形放大电路3、场效应管驱动电路4、快速导通、关断电路5、功率放大电路6、保护电路7、A/D转换电路8、D/A转换电路9、反馈放大电路10，此结构包含反馈电路和差分放大电路。反馈放大电路9连接在功率放大电路5中。

所述的微控制器1由XC3S1000-4FG456C型号的FPGA构成；按键输入电路2中的SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8分别与FPGA微处理器中BANK4输入输出端口IO_L28N_4、IO_L32P_4、IO_L30N_4、IO_L30P_4、IO_L25N_4、IO_L16N_4、IO_L09P_4、IO_L09N_4相连。在FPGA的BANK6中，引脚IO_L40P_6是PWM波输出端，此PWM波是半导体激光电源的控制信号。A/D转换电路8与FPGA的引脚IO_L40_N_6、IO_L39_P_6、IO_L39_N_6、IO_L38_P_6、IO_L38_N_6、IO_L35_P_6、IO_L35_N_6、IO_L34_P_6相连，用于把模拟量转化成数字量，A/D转换电路8的输入端引脚1、引脚2、引脚3、引脚4分别连接功率放大电路的采样电阻1、采样电阻2、采样电阻3、采样电阻4，用于对脉冲电流的实时监测。D/A转换电路9与FPGA的引脚IO_L21N_6、IO_L20P_6、IO_L20N_6、IO_L19N_6、IO_L19P_6、IO_L17P_6、IO_L17N_6、IO_L16P_6相连，用于把数字量转化为模拟量。

微控制器1产生PWM波经过脉冲整形放大电路3完成前后隔离和初步整形，信号输出接到反馈放大电路10中的差分放大电路正输入端，差分放大电路的负输入端是采样电阻上反馈电压的放大值。差分放大电路的输出端信号经过金属氧化物半导体场效应管驱动电路4进行功率放大，然后经过快速导通、关断电路5连接到功率放大电路进行功率放大。

本发明中用到的A/D转换电路、D/A转换电路都是公开的技术。下面将对本发明的重要电路结构进行描述。

键盘输入电路2由八个按键组成，八个按键命名为SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8，按键的一端统一接地，另外一端分别接FPGA的输入输出端引脚IO_L28N_4、IO_L32P_4、IO_L30N_4、IO_L30P_4、IO_L25N_4、IO_L16N_4、IO_L09P_4、IO_L09N_4，SW1代表频率大小设置键，SW2代表PWM波幅度设置键，SW3代表PWM波占空比设置键，SW4代表光标移位键，SW5代表数字递增键，SW6代表数字递减键，SW7代表确定键，SW8代表设置进入、推出键。当各个按键摁下时，进入相应的设置环节，让脉冲电流的频率、脉宽、幅度达到连续可调。

脉冲整形放大电路3由NPN型三极管Q1和PNP三极管Q2以及电阻R1和R2组成。此结构是Q1和Q2的基极与微控制器FPGA引脚IO_L40P_6相连；Q1集电极通过R1接到+VCC2，Q2集电极通过R2接地；Q1与Q2的发射极相连作为信号输出端，此电路为推挽式放大电路，对前级信号整形放大。

场效应管驱动电路4主要由芯片IXDD415组成。IXDD415的1、2、3、4引脚连接在一起再经过R3和电源+VCC3相连，并且经滤波电容C3、C4并联后接地；IXDD415的11、12、13、14引脚相连，通过R10与+VCC连接，并且经滤波电容C5、C6接地；IXDD415的5、10、15、16、17、18、25、26、27、28引脚接地；IXDD415的6、9引脚与外部输入使能端相连，并且经R8、R9并联后与R3相连；IXDD415的7、8引脚经过R7接地，并且经过R6与滑动变阻器POT1相连，滑动变阻器一端与R4与输入信号连接，另一端经过R5接地。IXDD415的19、20、21、22、23、24引脚是信号的输出端口，与快速导通、关断电路5的输入端口相连。

快速导通、关断电路5是由C12、R12、D2、Q3、R13、R14组成。以Q3为中心， R12和C12的并联一端连接Q3的基极，另一端与信号输入端连接；D2的正端与Q3的基极相连，负端与Q3的发射极连接；Q3的集电极经过R13接地；Q3的发射极经过R14接地；Q3的发射极是信号输出端。

功率放大电路6由电源+VCC4、R11、D1、C7、C8、C9、C10、C11、Q4、Q5、Q6、Q7、R76、R77、R78、R79组成。以激光二极管D1为核心，D1正端通过R11接到电源+VCC4，并且经过储能电容C7、C8、C9、C10、C11接地；D1的负端与场效应管Q4、Q5、Q6、Q7的漏极相连；Q4、Q5、Q6、Q7的栅极与快速导通、关断电路5的信号输出端Q3的发射极相连；Q4源极通过采样电阻R76接地，Q5源极通过采样电阻R77接地，Q6源极通过采样电阻R78接地，Q7源极通过采样电阻R79接地.

反馈放大电路10主要由高速运放U5A、U6A、U7A、U8A、U3A、U3B、U4A、U4B组成。反馈放大电路10分为4个部分：第一部分以U3A、U5A为核心，运算放大器U3A正输入端通过R30接地，同时通过R32和R33的串联接到采样电阻R76上；运算放大器U3A负输入端通过R31接地，并且通过R27连接到U3A的放大输出端；U3A放大输出端通过R26连到运放U5A的负输入端；运放U5A的负输入端同时通过R29与U5A的输出端相连；运放U5A的正输入端通过R28接地，并且通过R25与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连。运放U5A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端。第二部分以U6A、U3B为核心，运算放大器U3B正输入端通过R37接地，同时通过R36和R34的串联接到采样电阻R77上；运算放大器U3B负输入端通过R39接地，并且通过R35连接到U3B的放大输出端；U3B放大输出端通过R42连到运放U6A的负输入端；运放U6A的负输入端同时通过R38与U6A的输出端相连；运放U6A的正输入端通过R40接地，并且通过R41与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连；运放U6A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端。第三部分以U4A、U7A为核心，运算放大器U4A正输入端通过R48接地，同时通过R50和R51的串联接到采样电阻R78上；运算放大器U4A负输入端通过R49接地，并且通过R45连接到U4A的放大输出端；U4A放大输出端通过R44连到运放U7A的负输入端；运放U7A的负输入端同时通过R47与U7A的输出端相连；运放U7A的正输入端通过R46接地，并且通过R43与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连；运放U7A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端。第四部分以U8A、U4B为核心，运算放大器U4B正输入端通过R55接地，同时通过R52和R54的串联接到采样电阻R79上；运算放大器U4B负输入端通过R53接地，并且通过R57连接到U4B的放大输出端；U4B放大输出端通过R60连到运放U8A的负输入端；运放U8A的负输入端同时通过R56与U8A的输出端相连；运放U8A的正输入端通过R58接地，并且通过R59与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连；运放U8A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端。

附图说明

图1是本发明的微控制器1、A/D转换电路8和D/A转换电路9的原理图

图2是本发明的键盘输入电路2的原理图

图3是本发明的脉冲整形放大电路3的原理图

图4是本发明的金属氧化物半导体场效应管驱动电路4的原理图

图5是本发明的快速导通、关断电路5的原理图

图6是本发明的功率放大电路6的原理图

图7是本发明的总体结构图。

具体实施方式

结合附图，对本发明基于FPGA的高功率窄脉冲半导体激光器驱动电源装置做详细说明如下：

实施例1 结合图7说明本发明的总体结构

本发明的基于FPGA的高功率窄脉冲半导体激光器驱动电源装置是用于半导体激光器的驱动器。结构包括微控制器1、键盘输入电路2、脉冲整形放大电路3、场效应管驱动电路4、快速导通、关断电路5、功率放大电路6、保护电路7、A/D转换电路8、D/A转换电路9、反馈放大电路10，此结构包含反馈电路和差分放大电路。

按键输入电路2通过微控制器1设置当前驱动电源需要输出的参数值。脉冲整形放大电路3对微控制器1输出的控制信号PWM波进行整形处理，也将信号输入的前级和信号输出的后级隔离。场效应管驱动电路4将整形后的信号进行功率放大。快速导通、关断电路5使信号驱动场效应管导通时间更短，关断更迅速。功率放大电路6是本发明的核心部分，该电路结构是由4个场效应管并联组成4个分支电路，各分支电路电流汇聚在一起再驱动半导体激光器，这种结构使场效应管的耐压值和耐流值要求降低。保护电路7是微控制器1通过A/D转换电路对当前脉冲电流进行采样、分析、计算，与预先设置好的电流值进行比较，如果超过设定值将会通过D/A转换电路输出控制信号切断电源和主电路驱动信号，达到电路保护的目的。反馈放大电路10是通过反馈电阻得到反馈信号，将其放大输出，再与输入的驱动信号进行差分放大，其放大值驱动功率放大电路6，此过程完成反馈，使得电路工作更加的稳定。

实施例2 微控制器1

实施例3 键盘输入电路2

实施例4 脉冲整形放大电路3

实施例5 效应管驱动电路4

实施例6 快速导通、关断电路5

实施例7 功率放大电路6

功率放大电路6由电源+VCC4、R11、D1、C7、C8、C9、C10、C11、Q4、Q5、Q6、Q7、R76、R77、R78、R79组成。以激光二极管D1为核心，D1正端通过R11接到电源+VCC4，并且经过储能电容C7、C8、C9、C10、C11接地；D1的负端与场效应管Q4、Q5、Q6、Q7的漏极相连；Q4、Q5、Q6、Q7的栅极与快速导通、关断电路5的信号输出端Q3的发射极相连；Q4源极通过采样电阻R76接地，Q5源极通过采样电阻R77接地，Q6源极通过采样电阻R78接地，Q7源极通过采样电阻R79接地。

实施例8 反馈放大电路10

反馈放大电路10主要由高速运放U5A、U6A、U7A、U8A、U3A、U3B、U4A、U4B组成。反馈放大电路10分为4个部分：第一部分以U3A、U5A为核心，运算放大器U3A正输入端通过R30接地，同时通过R32和R33的串联接到采样电阻R76上；运算放大器U3A负输入端通过R31接地，并且通过R27连接到U3A的放大输出端；U3A放大输出端通过R26连到运放U5A的负输入端；运放U5A的负输入端同时通过R29与U5A的输出端相连；运放U5A的正输入端通过R28接地，并且通过R25与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连。运放U5A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端。

第二部分以U6A、U3B为核心，运算放大器U3B正输入端通过R37接地，同时通过R36和R34的串联接到采样电阻R77上；运算放大器U3B负输入端通过R39接地，并且通过R35连接到U3B的放大输出端；U3B放大输出端通过R42连到运放U6A的负输入端；运放U6A的负输入端同时通过R38与U6A的输出端相连；运放U6A的正输入端通过R40接地，并且通过R41与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连；运放U6A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端。

第三部分以U4A、U7A为核心，运算放大器U4A正输入端通过R48接地，同时通过R50和R51的串联接到采样电阻R78上；运算放大器U4A负输入端通过R49接地，并且通过R45连接到U4A的放大输出端；U4A放大输出端通过R44连到运放U7A的负输入端；运放U7A的负输入端同时通过R47与U7A的输出端相连；运放U7A的正输入端通过R46接地，并且通过R43与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连；运放U7A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端。

第四部分以U8A、U4B为核心，运算放大器U4B正输入端通过R55接地，同时通过R52和R54的串联接到采样电阻R79上；运算放大器U4B负输入端通过R53接地，并且通过R57连接到U4B的放大输出端；U4B放大输出端通过R60连到运放U8A的负输入端；运放U8A的负输入端同时通过R56与U8A的输出端相连；运放U8A的正输入端通过R58接地，并且通过R59与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连；运放U8A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端。

Claims

1.一种基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器驱动电源装置，包括微控制器1、键盘输入电路2、脉冲整形放大电路3、场效应管驱动电路4、快速导通、关断电路5、功率放大电路6、保护电路7、A/D转换电路8、D/A转换电路9、反馈放大电路10，此结构包含反馈电路和差分放大电路，其特征在于：微控制器1产生PWM波经过脉冲整形放大电路3完成前后隔离和初步整形，然后将输出信号接到反馈放大电路10中的差分放大电路正输入端，差分放大电路的负输入端是采样电阻上反馈电压的放大值；差分放大电路的输出端信号经过场效应管驱动电路4进行功率放大，然后经过快速导通、关断电路5连接到功率放大电路进行功率放大；A/D转换电路8在各采样电阻上向微控制器1反馈当前的脉冲电流值，如果超过了预先设置的值，微控制器1将通过D/A转换电路9切断电源输出，主电路停止工作，从而达到保护电路的目的。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器驱动电源装置，其特征在于：所述微控制器1由XC3S1000-4FG456C型号的FPGA构成；按键输入电路2中的SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8分别与FPGA微处理器中BANK4输入输出端口IO_L28N_4、IO_L32P_4、IO_L30N_4、IO_L30P_4、IO_L25N_4、IO_L16N_4、IO_L09P_4、IO_L09N_4相连；在FPGA的BANK6中，引脚IO_L40P_6是PWM波输出端，此PWM波是半导体激光电源的控制信号；A/D转换电路8与FPGA的引脚IO_L40_N_6、IO_L39_P_6、IO_L39_N_6、IO_L38_P_6、IO_L38_N_6、IO_L35_P_6、IO_L35_N_6、IO_L34_P_6相连，用于把模拟量转化成数字量，A/D转换电路8的输入端引脚1、引脚2、引脚3、引脚4分别连接功率放大电路的采样电阻1、采样电阻2、采样电阻3、采样电阻4，用于对脉冲电流的实时监测；D/A转换电路9与FPGA的引脚IO_L21N_6、IO_L20P_6、IO_L20N_6、IO_L19N_6、IO_L19P_6、IO_L17P_6、IO_L17N_6、IO_L16P_6相连，用于把数字量转化为模拟量。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器驱动电源装置，其特征在于：所述的键盘输入电路2主要由八个按键组成，八个按键命名为SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8，按键的一端统一接地，另外一端分别接FPGA的输入输出端引脚IO_L28N_4、IO_L32P_4、IO_L30N_4、IO_L30P_4、IO_L25N_4、IO_L16N_4、IO_L09P_4、IO_L09N_4，SW1代表频率大小设置键，SW2代表PWM波幅度设置键，SW3代表PWM波占空比设置键，SW4代表光标移位键，SW5代表数字递增键，SW6代表数字递减键，SW7代表确定键，SW8代表设置进入、推出键；当各个按键摁下时，进入相应的设置环节，让脉冲电流的频率、脉宽、幅度达到连续可调。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器驱动电源装置，其特征在于：所述脉冲整形放大电路3由NPN型三极管Q1和PNP三极管Q2以及电阻R1和R2组成，此结构是Q1和Q2的基极与微控制器FPGA引脚IO_L40P_6相连；Q1集电极通过R1接到+VCC2，Q2集电极通过R2接地；Q1与Q2的发射极相连作为信号输出端，此电路为推挽式放大电路，对前级信号整形放大。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器驱动电源装置，其特征在于：所述金属氧化物半导体场效应管驱动电路4主要由芯片IXDD415组成；IXDD415的1、2、3、4引脚连接在一起再经过R3和电源+VCC3相连，并且经滤波电容C3、C4并联后接地；IXDD415的11、12、13、14引脚相连，通过R10与+VCC连接，并且经滤波电容C5、C6接地；IXDD415的5、10、15、16、17、18、25、26、27、28引脚接地；IXDD415的6、9引脚与外部输入使能端相连，并且经R8、R9并联后与R3相连；IXDD415的7、8引脚经过R7接地，并且经过R6与滑动变阻器POT1相连，滑动变阻器一端与R4与输入信号连接，另一端经过R5接地；IXDD415的19、20、21、22、23、24引脚是信号的输出端口，与快速导通、关断电路5的输入端口相连。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器驱动电源装置，其特征在于：所述快速导通、关断电路5是由C12、R12、D2、Q3、R13、R14组成；以Q3为中心， R12和C12的并联一端连接Q3的基极，另一端与信号输入端连接；D2的正端与Q3的基极相连，负端与Q3的发射极连接；Q3的集电极经过R13接地；Q3的发射极经过R14接地；Q3的发射极是信号输出端。

7.根据权利要求1所述的基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器驱动电源装置，其特征在于：所述功率放大电路6由电源+VCC4、R11、D1、C7、C8、C9、C10、C11、Q4、Q5、Q6、Q7、R76、R77、R78、R79组成；以激光二极管D1为核心，D1正端通过R11接到电源+VCC4，并且经过储能电容C7、C8、C9、C10、C11接地；D1的负端与场效应管Q4、Q5、Q6、Q7的漏极相连；Q4、Q5、Q6、Q7的栅极与快速导通、关断电路5的信号输出端Q3的发射极相连；Q4源极通过采样电阻R76接地，Q5源极通过采样电阻R77接地，Q6源极通过采样电阻R78接地，Q7源极通过采样电阻R79接地。

8.根据权利要求1所述的基于FPGA的高功率脉冲半导体激光器驱动电源装置，其特征在于：所述反馈放大电路10主要由高速运放U5A、U6A、U7A、U8A、U3A、U3B、U4A、U4B组成；反馈放大电路10分为4个部分：第一部分以U3A、U5A为核心，运算放大器U3A正输入端通过R30接地，同时通过R32和R33的串联接到采样电阻R76上；运算放大器U3A负输入端通过R31接地，并且通过R27连接到U3A的放大输出端；U3A放大输出端通过R26连到运放U5A的负输入端；运放U5A的负输入端同时通过R29与U5A的输出端相连；运放U5A的正输入端通过R28接地，并且通过R25与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连，运放U5A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端；

第二部分以U6A、U3B为核心，运算放大器U3B正输入端通过R37接地，同时通过R36和R34的串联接到采样电阻R77上；运算放大器U3B负输入端通过R39接地，并且通过R35连接到U3B的放大输出端；U3B放大输出端通过R42连到运放U6A的负输入端；运放U6A的负输入端同时通过R38与U6A的输出端相连；运放U6A的正输入端通过R40接地，并且通过R41与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连；运放U6A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端；

第三部分以U4A、U7A为核心，运算放大器U4A正输入端通过R48接地，同时通过R50和R51的串联接到采样电阻R78上；运算放大器U4A负输入端通过R49接地，并且通过R45连接到U4A的放大输出端；U4A放大输出端通过R44连到运放U7A的负输入端；运放U7A的负输入端同时通过R47与U7A的输出端相连；运放U7A的正输入端通过R46接地，并且通过R43与脉冲整形放大电路3中Q1、Q2的发射极相连；运放U7A的放大输出端接金属氧化物半导体场效应管驱动电路4中R4的一端；