CN104218448A - 一种大功率半导体激光管脉冲驱动电路 - Google Patents

一种大功率半导体激光管脉冲驱动电路 Download PDF

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本发明涉及一种大功率半导体激光管脉冲驱动电路,其解决了现有大功率半导体激光管脉冲驱动电路脉冲宽度比较窄、脉冲重复频率低、脉冲矩形度较差的技术问题,其包括电压可调大功率电源电路、MOS开关电路、MOS驱动电路、占空比调整电路、频率可调多谐振荡电路和半导体激光管,电压可调大功率电源电路与半导体激光管连接,MOS开关电路与半导体激光管连接,MOS驱动电路与MOS开关电路连接,占空比调整电路与MOS驱动电路连接,频率可调多谐振荡电路与占空比调整电路连接,其可广泛应用于驱动大功率半导体激光管。

Description

一种大功率半导体激光管脉冲驱动电路
技术领域
[0001] 本发明涉及一种驱动电路,具体说是一种大功率半导体激光管脉冲驱动电路。
背景技术
[0002] 半导体激光管相比其它种类激光器具有体积小、成本低、使用方便的优点,在光电 产品中得到了广泛的应用。尤其在光通信领域,半导体激光管是光端机用来将电信号转化 成光信号并通过光缆传输出去的主要部件,几乎所有的光端机都使用半导体激光管。正是 由于半导体激光管在光通信领域的广泛使用,使得市场上出现了较多的半导体激光管驱动 芯片和电路。这些芯片和电路可以具有上千兆赫兹的脉冲驱动频率,但输出电流只有几毫 安到几十毫安。这主要是由于光通信对激光管的功率要求是兆瓦量级,相应的驱动电流是 晕安量级。
[0003] 近些年,随着激光传感的兴起,出现了很多功率达十几瓦甚至几十瓦的半导体激 光器。这些激光器都需要较大的工作电流,达到十几安培至几十安培,并且大多数激光传感 产品需要这些大功率的半导体激光管工作在脉冲方式下。从而需要设计满足这些应用的大 功率半导体激光管脉冲驱动电路。
[0004] 目前针对大功率半导体激光管脉冲驱动电路的研究主要有:
[0005] (1)《激光与红外》2009年5月第39卷第5期第490页中,有一篇《基于DE150的 高速大电流窄脉宽半导体激光电源》的文章,提出最高重复频率达50kHz,脉冲宽度10ns,峰 值电流达27A的电路;
[0006] (2)《激光技术》2012年11月第36卷第6期第732页,有一篇《高重频可调小型 高功率半导体激光电源研究》的文章,提出"采用改进的单稳态触发器产生窄脉冲,经放大 后驱动快速开关M0SFET获得大电流窄脉冲;电源脉冲电流驱动能力0A〜80A,脉冲上升时 间2. 8ns,下降时间3. 8ns,脉冲宽度5ns〜500ns范围内可调,最小5. 2ns,重复频率可达 200kHz" ;
[0007] (3)《太赫兹科学与电子信息学报》2013年2月第11卷第1期的文章《大功率半 导体激光器脉冲驱动电源研制》提出"采用高速金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET) 作为开关,为半导体激光器提供一个前沿快(1.2ns)、脉宽窄(15ns)、峰值电流大(72A)的 脉冲驱动电流,并可根据需要调节电路中的参数,获得不同前沿、不同脉宽、不同峰值的电 流脉冲";
[0008] (4)黑龙江大学2012年硕士毕业论文《基于窄脉冲大功率半导体激光器的激光测 距系统的研究》中阐述了,利用AH)的雪崩效应研制了窄脉冲大功率半导体激光测距系统的 ns级半导体激光器驱动源。
[0009] 以上四篇文献,有一个共同的技术特点就是:使用一个电容性储能器件存储一定 的能量,然后使用AH)或M0S管,瞬间将储能器件和半导体激光管连接,储能器件存储的能 量瞬间在半导体激光管上释放,从而产生一个电流脉冲使激光管发出脉冲光。然后重新给 储能器件补充能量,为下一次的脉冲做准备。然而,这种电路的技术缺陷是:
[0010] (1)脉冲宽度比较窄,只有十几纳秒到几十纳秒,主要是因为储能器件的能力释放 过程是瞬间完成的,难以控制;
[0011] (2)脉冲重复频率一般只有几千赫兹,难以实现高重复频率,主要原因是储能器件 补充能力需要较长时间;
[0012] (3)产生的脉冲矩形度较差,接近高斯型或三角形,主要原因是储能器件释放能量 的过程为:由于电路寄生电感的作用,半导体激光管上流过的电流一开始快速增长,很快增 长到最大值,接下来随着储能器件的能量随释放过程快速减小,电流也从最大值快速下降, 从而产生一个高斯型或三角形的脉冲。
[0013] 上述电路可满足某些激光传感产品的要求,比如基于拉曼散射的温度传感器和基 于布里渊散射的温度应变传感器。但在另外一些激光传感产品中,要求激光光源的脉冲宽 度量为几百纳秒到几十微秒,占空比要可调,并且脉冲的矩形度要求比较高。此时这类电路 就无法满足要求了。
发明内容
[0014] 本发明就是为了解决现有大功率半导体激光管脉冲驱动电路脉冲宽度比较窄、脉 冲重复频率低、脉冲矩形度较差的技术问题,提供一种工作频率连续可调、占空比连续可 调、工作电流连续可调的大功率半导体激光管脉冲驱动电路。
[0015] 本发明的技术方案是,提供一种大功率半导体激光管脉冲驱动电路,包括电压可 调大功率电源电路、M0S开关电路、M0S驱动电路、占空比调整电路、频率可调多谐振汤电路 和半导体激光管,电压可调大功率电源电路与半导体激光管连接,M0S开关电路与半导体激 光管连接,M0S驱动电路与M0S开关电路连接,占空比调整电路与M0S驱动电路连接,频率 可调多谐振荡电路与占空比调整电路连接。
[0016] 优选地,还设有温度探测器、温度控制器、温度异常保护电路、温度异常指示电路 和TEC制冷器,温度探测器与半导体激光管连接,温度控制器与温度探测器连接,温度控制 器与电压可调大功率电源电路之间通过温度异常保护电路连接,温度异常指示电路与温度 控制器连接,TEC制冷器与温度控制器连接,TEC制冷器同时与半导体激光管连接。
[0017] 优选地,频率可调多谐振荡电路设有CB7555芯片、第十三电容、第十四电容、第二 电位器、第十九电阻和第二十三电阻,CB7555芯片的第3引脚为输出端,CB7555芯片的第4 引脚与第8引脚连接在一起;第十九电阻、第二电位器、第二十三电阻和第十四电容依次串 联后接地,第二十三电阻和第十四电容之间的节点与CB7555芯片的第6引脚和第2引脚连 接,第二电位器和第二十三电阻之间的节点与CB7555芯片的第7引脚连接,CB7555芯片的 第5引脚和第1引脚之间通过第十三电容连接。
[0018] 优选地,占空比调整电路设有SN74HC7001芯片、第二十八电容和第三电位器, SN74HC7001芯片的第1引脚和第2引脚连接在一起后与CB7555芯片的第3引脚连接, SN74HC7001芯片的第8引脚为输出端,SN74HC7001芯片的第3引脚和第4引脚连接在一起 后与第三电位器连接;第二十八电容一端接地,另一端与第三电位器连接;第三电位器和 第二十八电容之间的节点与SN74HC7001芯片的第4引脚连接。
[0019] 优选地,M0S驱动电路设有ADP3654ARDZ芯片,ADP3654ARDZ芯片的第5引脚和第 7引脚连接在一起后形成输出端,ADP3654ARDZ芯片的第2引脚和第4引脚连接在一起后形 成与占空比调整电路输出端连接的输入端。
[0020] 优选地,M0S开关电路设有M0S管CSD18534。
[0021] 优选地,电压可调大功率电源电路设有MAX15046、第一电感、第六电阻、第一电位 器和第五电阻,M0S管CSD18534的栅极与MAX15046芯片的第12引脚连接,M0S管CSD18534 的漏极与MAX15046芯片的第16引脚连接,M0S管CSD18534的源极接地;第一电感的一端与 MAX15046芯片的第16引脚连接,另一端与第六电阻的一端连接,第六电阻的另一端与第一 电位器的一端连接,第一电位器的另一端与第五电阻的一端连接,第五电阻的另一端接地, MAX15046芯片的第7引脚与第一电位器连接。
[0022] 本发明的有益效果是,可实现工作频率100kHz〜1MHz连续可调,占空比10%〜 80%连续可调,工作电流30A内连续可调,同时具有激光管温度探测、温度控制、温度异常 指示和温度异常保护功能。
[0023] 本发明进一步的特征和方面,将在以下参考附图的具体实施方式的描述中,得以 清楚地记载。
附图说明
[0024] 图1是本发明的原理框图;
[0025] 图2是频率可调多谐振荡电路原理图;
[0026] 图3是占空比调整电路原理图;
[0027] 图4是占空比调整电路的工作时序图;
[0028] 图5是M0S驱动电路原理图;
[0029] 图6是M0S开关电路原理图;
[0030] 图7是电压可调大功率电源电路原理图;
[0031] 图8是温度异常指示电路和温度异常保护电路的电路原理图。
[0032] 图中符号说明:
[0033] 1.温度异常指示电路;2.温度控制器;3. TEC制冷器;4.温度异常保护电路;5.电 压可调大功率电源电路;6.半导体激光管;7.温度探测器;8. M0S开关电路;9. M0S驱动电 路;10.占空比调整电路;11.频率可调多谐振荡电路;U1.MAX15046芯片,U2. 74VHC132M芯 片,U3. CB7555 芯片,U4. SN74HC7001 芯片,U6. ADP3654ARDZ 芯片,Ull. LTC2053 芯片,U15A. TLC3072IP芯片,U15B. TLC3072IP芯片;VR1.第一电位器,VR2.第二电位器,VR3.第三电 位器;R5.第五电阻,R6.第六电阻,R19.第十九电阻,R23.第二十三电阻;C13.第十三电 容,C14.第十四电容,C15.第十五电容,C16.第十六电容,C17.第十七电容,C18.第十八 电容,C19.第十九电容,C20.第二十电容,C28.第二十八电容;L1.第一电感。
具体实施方式
[0034] 以下参照附图,以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0035] 如图1所示,电压可调大功率电源电路5与半导体激光管6连接,M0S开关电路8 与半导体激光管6连接,M0S驱动电路9与M0S开关电路8连接,占空比调整电路10与M0S 驱动电路9连接,频率可调多谐振荡电路11与占空比调整电路10连接。
[0036] 温度探测器7与半导体激光管6连接,温度控制器2与温度探测器7连接,温度控 制器2与电压可调大功率电源电路5之间通过温度异常保护电路4连接,温度异常指示电 路1与温度控制器2连接,TEC制冷器3与温度控制器2连接,TEC制冷器3同时与半导体 激光管6连接。
[0037] 上电后,温度控制器2通过温度探测器7检测半导体激光管6的温度,并将检测到 的温度信号与设温度值比较,如果检测到的温度值与设定温度值相差超过一定的范围,则 启动温度异常指示电路以指示温度异常,并且通过温度异常保护电路4将电压可调大功率 电源电路5的输出关闭,从而使半导体激光器6停止工作。同时启动TEC制冷器3进行加 热或者制冷,控制半导体激光管6的温度逐渐逼近到设定温度。随着半导体激光器6的温 度逐渐逼近设定温度,当二者的温差小于一定的范围时,温度控制器2控制温度异常指示 电路1关闭指示,同时控制温度异常保护电路4关闭,从而使半导体激光器6工作。如果上 电后,温度控制器2通过温度探测器7检测半导体激光管6的温度与设定温度相差在一定 的范围内,温度控制器2控制温度异常指示电路1关闭指示,同时控制温度异常保护电路4 关闭,从而使半导体激光管6工作。同时启动TEC制冷器3进行加热或者制冷,控制半导体 激光管6的温度逐渐逼近到设定温度。
[0038] 电压可调大功率电源电路5输出电压的调整范围为0. 6V〜0. 85Vin,Vin为整个 电路的输入电压,Vin范围为7. 5V〜40V ;因此电压可调大功率电源电路5输出电压的调 整范围为0. 6V〜34V,最大输出电流为30A。这样就可以通过调整电压可调大功率电源电 路5的输出电压实现对半导体激光管6的发光功率的调整。当电压升高时,半导体激光管 6输出功率增大,反之减小。
[0039] 频率可调多谐振荡电路11通过一个可调电阻,可以输出频率范围为100K〜IMhz 的矩形波,通过调整这个频率,从而使得半导体激光管6输出不同频率的光脉冲。频率可调 多谐振荡电路11输出占空比大于85 %的方波,输入到占空比调整电路10中,占空比调整电 路10对其进行占空比调整,占空比调整电路10输出的方波频率等于输入的方波频率,但占 空比为10%〜80%可调,调整的方式是通过改变占空比调整电路10中的可调电位器实现。 占空比调整电路10输出的方波的占空比决定了半导体激光管6输出光脉冲信号的占空比。
[0040] 占空比调整电路10输出的信号进入到M0S驱动电路9,由M0S驱动电路9对信号 的驱动能力进行增强,因此M0S驱动电路9输出的方波频率和占空比与输入到M0S驱动电 路9的方波相同,但驱动能力明显增强。
[0041] M0S驱动电路9输出的方波信号具有很强的驱动能力,驱动M0S开关电路8,从而 使M0S开关电路8完成开关状态的转化。当M0S开关电路8打开时,电压可调大功率电源 电路5输出的电流流过半导体激光管6,半导体激光管发出激光;当M0S开关电路8关闭时, 电压可调大功率电源电路5输出的电流无法流过半导体激光管6,半导体激光管6停止发出 激光。从而使半导体激光管6输出的光信号与M0S驱动电路9具有相同的频率和占空比。
[0042] 如图2所示,频率可调多谐振荡电路11通过CB7555芯片U3实现,CB7555芯片U3 的第3引脚为输出端。CB7555芯片U3的第8引脚接DC6V电源,同时分别通过第十五电容 C15、第十六电容C16接地,CB7555芯片U3的第4引脚与第8引脚连接。DC6V电源依次通 过串联的第十九电阻R19、第二电位器VR2、第二十三电阻R23和第十四电容C14接地,第 二十三电阻R23和第十四电容C14之间的节点与CB7555芯片U3的第6引脚和第2引脚连 接。第二电位器VR2和第二十三电阻R23之间的节点与CB7555芯片U3的第7引脚连接, CB7555芯片U3的第5引脚和第1引脚之间通过第十三电容C13连接。
[0043] 此电路输出信号频率为f = V(R19+VR2+2XR23)Cln2,占空比q = (R19+VR2+R23V(R19+VR2+2XR23)。其中VR2的范围是0〜lkQ,因此频率可调多谐振荡 电路11的输出信号理论频率范围为1. 〇3MHz〜126kHz ;实际工作是,由于CB7555芯片U3 自身的特点,信号最高输出频率约1MHz,由于电路板寄生电容和CB7555芯片的自身特性影 响,此电路的最低工作频率可低于100kHz。占空比的范围是85. 7%〜98. 2%。
[0044] 如图3和图4所示,占空比调整电路10通过SN74HC7001芯片U4完成,SN74HC7001 芯片U4的第14引脚接DC6V电源,同时分别通过第十七电容C17、第十八电容C18接地。 SN74HC7001芯片U4的第1引脚和第2引脚连接在一起成为输入端in,并与CB7555芯片U3 的第3引脚连接。SN74HC7001芯片U4的第8引脚为输出端。SN74HC7001芯片U4的第3引 脚和第4引脚连接在一起后与第三电位器VR3连接,第二十八电容C28 -端接地,另一端与 第三电位器VR3连接。第三电位器VR3和第二十八电容C28之间的节点与SN74HC7001芯 片U4的第4引脚连接。SN74HC7001芯片U4的第3引脚信号与第4、5引脚信号的延时(即 RC延时)是通过第三电位器VR3和第二十八电容C28完成,当第三电位器VR3由小调大的 过程中,RC延时逐渐增大,使输出端信号的占空比逐渐变大,从而最终改变半导体激光管6 发射光光脉冲的占空比。
[0045] 如图5所示,M0S驱动电路9由ADP3654ARDZ芯片U6实现,ADP3654ARDZ芯片U6 的第5引脚和第7引脚连接在一起后形成输出端,ADP3654ARDZ芯片U6的第2引脚和第4 引脚连接在一起后形成与占空比调整电路10输出端连接的输入端。ADP3654ARDZ芯片U6 的第6引脚接DC6V电源,同时分别通过第十九电容C19、第二十电容C20接地。
[0046] 该电路可以在4. 5V〜18V供电范围内工作,这种宽电压范围几乎使得ADP3654 芯片可以满足所有M0S开关管的开启电压要求,因此具有很广的使用能力。ADP3654芯片 的输出信号电流高达4A,在连接2. 2nF电容的情况下,上升和下降时间为10ns,并且由于 ADP3654内置两个并行的通道可以并联使用,本发明中也是将两个并行通道并联使用,从而 使得本发明中的M0S驱动电路9输出信号电流高达8A,具有很强的驱动能力,可以快速的开 关其驱动的M0S开关电路8。开关时间t = Q/I,其中Q = M0S开关电路8的CSD18534的 栅极电荷总量为19nC,I为M0S驱动电路9输出信号电流为8A,理论得出t = 2. 375ns也 就是说输出的脉冲的上升沿和下降沿约为2. 753ns,输出脉冲具有良好的矩形度。
[0047] 如图6所示,M0S开关电路8使用M0S管CSD18534,其连续工作电流高达52A,因 此可以允许半导体激光管的电流连续值高达52A,脉冲峰值=52/占空比,按照占空比最大 值80%计算,脉冲峰值电流约为65A。同时CSD18534栅极电荷总量仅有19nC,具备快速的 开关能力。因此本发明中的M0S开关电路同时具备大电流和快速开关的能力。
[0048] 如图7所示,电压可调大功率电源电路5使用MAX15046芯片U1实现,M0S管 CSD18534的栅极与MAX15046芯片U1的第12引脚连接,M0S管CSD18534的漏极与MAX15046 芯片U1的第16引脚连接,M0S管CSD18534的源极接地。第一电感L1的一端与MAX15046 芯片U1的第16引脚连接,另一端与第六电阻R6的一端连接,第六电阻R6的另一端与第一 电位器VR1的一端连接,第一电位器VR1的另一端与第五电阻R5的一端连接,第五电阻R5 的另一端接地。MAX15046芯片U1的第7引脚与第一电位器VR1连接。该电路结合外部器 件最大连续输出工作电流可达25A,在占空比小于80 %的情况下,最大脉冲输出电流可达 31. 25A。
[0049] 如图8所示,温度异常指示电路1和温度异常保护电路4包括74VHC132M芯片U2、 LTC2053 芯片 U11、TLC3072IP 芯片 U15A 和 TLC3072IP 芯片 U15B。74VHC132M 芯片 U2 的第 8引脚为输出端(En信号),4VHC132M芯片U2的第9引脚、第10引脚和第11引脚连接在一 起后通过第八十电阻R80与第一发光二极管D1的阳极连接,第一发光二极管D1的阴极接 地。4VHC132M芯片U2的第1引脚和第2引脚连接在一起后与TLC3072IP芯片U15A的第7 引脚连接,4VHC132M芯片U2的第4引脚和第5引脚连接在一起后与TLC3072IP芯片U15B 的第7引脚连接。TLC3072IP芯片U15A的负相输入端和TLC3072IP芯片U15B的正向输入 端连接在一起后与LTC2053芯片U11的输出端连接。通过将温度探测器7上的电压值和设 定的电压值之差经LTC2053芯片U11进行约10倍放大,然后输入到TLC3072IP芯片U15B 和TLC3072IP芯片U15A构成的窗口比较器,如果差值在窗口比较器的窗口范围内,则第一 发光二极管D1灭,指示温度处于正常范围,En信号输出高电平,启动电压可调大功率电源 电路工作,否则,LED指示灯亮,指示温度不处于正常范围内,En信号输出低电平,关闭电压 可调大功率电源电路5。
[0050] 以上所述仅对本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技 术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内,所做的 任何修改、等同替换、改进等,均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种大功率半导体激光管脉冲驱动电路,其特征是,包括电压可调大功率电源电路、 MOS开关电路、MOS驱动电路、占空比调整电路、频率可调多谐振荡电路和半导体激光管,所 述电压可调大功率电源电路与所述半导体激光管连接,所述MOS开关电路与所述半导体激 光管连接,所述MOS驱动电路与所述MOS开关电路连接,所述占空比调整电路与所述MOS驱 动电路连接,所述频率可调多谐振荡电路与所述占空比调整电路连接。
2. 根据权利要求1所述的大功率半导体激光管脉冲驱动电路,其特征在于,还设有温 度探测器、温度控制器、温度异常保护电路、温度异常指示电路和TEC制冷器,所述温度探 测器与所述半导体激光管连接,所述温度控制器与所述温度探测器连接,所述温度控制器 与所述电压可调大功率电源电路之间通过所述温度异常保护电路连接,所述温度异常指示 电路与所述温度控制器连接,所述TEC制冷器与所述温度控制器连接,所述TEC制冷器同时 与所述半导体激光管连接。
3. 根据权利要求1或2所述的大功率半导体激光管脉冲驱动电路,其特征在于,所述频 率可调多谐振荡电路设有CB7555芯片、第十三电容、第十四电容、第二电位器、第十九电阻 和第二十三电阻,所述CB7555芯片的第3引脚为输出端,所述CB7555芯片的第4引脚与第8 引脚连接在一起;所述第十九电阻、所述第二电位器、所述第二十三电阻和所述第十四电容 依次串联后接地,所述第二十三电阻和所述第十四电容之间的节点与所述CB7555芯片的 第6引脚和第2引脚连接,所述第二电位器和所述第二十三电阻之间的节点与所述CB7555 芯片的第7引脚连接,所述CB7555芯片的第5引脚和第1引脚之间通过所述第十三电容连 接。
4. 根据权利要求3所述的大功率半导体激光管脉冲驱动电路,其特征在于,所述占空 比调整电路设有SN74HC7001芯片、第二十八电容和第三电位器,所述SN74HC7001芯片的第 1引脚和第2引脚连接在一起后与所述CB7555芯片的第3引脚连接,所述SN74HC7001芯片 的第8引脚为输出端,所述SN74HC7001芯片的第3引脚和第4引脚连接在一起后与所述第 三电位器连接;所述第二十八电容一端接地,另一端与所述第三电位器连接;所述第三电 位器和所述第二十八电容之间的节点与所述SN74HC7001芯片的第4引脚连接。
5. 根据权利要求4所述的大功率半导体激光管脉冲驱动电路,其特征在于,所述MOS驱 动电路设有ADP3654ARDZ芯片,所述ADP3654ARDZ芯片的第5引脚和第7引脚连接在一起 后形成输出端,所述ADP3654ARDZ芯片的第2引脚和第4引脚连接在一起后形成与所述占 空比调整电路输出端连接的输入端。
6. 根据权利要求5所述的大功率半导体激光管脉冲驱动电路,其特征在于,所述MOS开 关电路设有MOS管CSD18534。
7. 根据权利要求6所述的大功率半导体激光管脉冲驱动电路,其特征在于,所述电 压可调大功率电源电路设有MAX15046、第一电感、第六电阻、第一电位器和第五电阻,所述 MOS管CSD18534的栅极与所述MAX15046芯片的第12引脚连接,所述MOS管CSD18534的漏 极与所述MAX15046芯片的第16引脚连接,所述MOS管CSD18534的源极接地;所述第一电 感的一端与所述MAX15046芯片的第16引脚连接,另一端与所述第六电阻的一端连接,所述 第六电阻的另一端与所述第一电位器的一端连接,所述第一电位器的另一端与所述第五电 阻的一端连接,所述第五电阻的另一端接地,所述MAX15046芯片的第7引脚与所述第一电 位器连接。
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