CN106533245B - 有外调制功能的大功率脉冲电流产生电路 - Google Patents

有外调制功能的大功率脉冲电流产生电路 Download PDF

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Abstract

本发明的有外调制功能的大功率脉冲恒电流产生电路属于电子技术的技术领域，结构有脉冲产生电路(1)、外调制输入电路(2)、脉宽调节电路(3)、脉冲驱动电路(4)、能量控制及储蓄电路(5)和功率输出电路(6)。本发明能稳定输出的大幅度窄脉冲，具有外调制输入功能，同时还具有输出波形好、输出电压高等优点。

Description

有外调制功能的大功率脉冲电流产生电路
技术领域
本发明属于电子技术的技术领域。特别涉及一种有外调制输入功能的大功率脉冲电流产生电路。
背景技术
脉冲驱动式半导体激光器在激光雷达、激光测距、光纤通信、3D图像处理等很多领域内都有重要的应用。其性能直接影响它在实际应用效果，例如：在脉冲式半导体激光测距机和激光雷达中，脉冲激光的上升时间和测量精度密切相关，上升时间越短，越有利于提高测量精度；脉冲激光的峰值功率和测量距离密切相关，峰值功率越大，越有利于增加测量距离。而脉冲式半导体激光器的性能主要取决于为其提供驱动信号的脉冲电流源，因此脉冲电流源的研发设计具有重要的应用价值。
目前与本发明最接近的现有技术是于2013年获得授权的发明专利“大功率半导体激光器脉冲驱动电源”，专利号为ZL201210120267.5的中国专利。该文献中，给出了一种半导体激光器脉冲驱动电源的设计方案，使该驱动电源能在输出较大脉冲峰值电流的同时保持较短的输出脉宽和脉冲电流上升时间。
但专利ZL201210120267.5所公开的技术还存在诸多缺点：首先，其搭建成的脉冲触发电路其重复频率易受温度等环境因素的影响，从而影响驱动电源的频率稳定性；其次，专利ZL201210120267.5中所使用的高速开关电路容易受到末级功率场效应管的栅极等效电容的影响，使得电路的高频响应差，表现为脉冲的上升时间长，当需要输出特别窄的脉冲电流时，输出的脉冲电流波形不好；再次，专利ZL201210120267.5的最高输出电压有限，当负载阻抗较大时，无法达到预定的输出电流；最后，专利ZL201210120267.5的设计中不具备外调制功能，不能在一个复杂系统中与其它设备同步使用。因此，目前已公开的半导体激光器脉冲驱动器技术还需要进一步完善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提供一种有外调制功能的大功率脉冲电流产生电路。
本发明的技术问题通过以下技术方案解决：
一种有外调制功能的大功率脉冲恒电流产生电路，结构有脉冲产生电路1、脉宽调节电路3和功率输出电路6，其特征在于，结构还有外调制输入电路2、脉冲驱动电路4和能量控制及储蓄电路5；
所述的脉冲产生电路1的结构为，555定时器T1的1脚接地，4脚、8脚接+12V电源，2脚、6脚一起接二极管D1负极、电容C1的一端和二极管D2的正极，电容C2的另一端接地，二极管D2的负极接可调电阻R2的一端，可调电阻R2的另一端和二极管D1的正极一起接555定时器T1的7脚，还接可调电阻R1的一端，可调电阻R1的另一端接PNP型三极管Q1的发射极和+12V电源，555定时器T1的5脚通过电容C2接地，3脚接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极通过电阻R3接地，三极管Q1的集电极作为脉冲产生电路1的信号输出端，记为端口Port-out1；
所述的外调制输入电路2的结构为，二孔插针P1的1孔通过电阻R4与运放U1A的反相输入端相连，2孔接地，运放U1A的输出端连接电阻R5，电阻R5连接电阻R6，R6接地，运放U1A的同相输入端连接在R5、电阻R6之间，二极管D3负极正极，二极管D3负极与运放U1A的反相输入端相连，二极管D4的负极接+5V电源，正极接运放U1A的反相输入端，二极管D5正极连接到电阻R7和二极管D6负极，电阻R7与运放U1A的输出端相连，二极管D6正极接地，二极管D5负极接+5V电源，在二极管D5、二极管D6之间引出外调制输入电路2的输出端，记为端口Port-out2；
所述的脉宽调节电路3的结构为，单刀双掷开关SW-SPDT的1端口通过电阻R8接+12V电源，3端口接地，2端口接NMOS管Q2栅极，NMOS管Q2源极接地，漏极接继电器K1左端，继电器K1右端接+12V电源，触发器U2A的1脚接+5V电源，2脚接+12V电源，3脚连接继电器K1的公共端，继电器K1的两个选择端分别接端口Port-in1和端口Port-in2，触发器U2A的4脚接滑动变阻器W2滑线端，5脚连接到滑动变阻器W1滑线端，6脚作为输出端，记为端口Pulse-LC，滑动变阻器W1和滑动变阻器W2相连；
所述的脉冲驱动电路4的结构为，滑动变阻器W3的一端通过电容C3接地，滑线端接端口Pulse-LC，电容C3未接地的一端接到MOSFET驱动器U3A的2、4引脚，电容C4、电容C5并联后一端接地，另一端接MOSFET驱动器U3A的1、6、8引脚及+12V电源，MOSFET驱动器U3A的3脚接地，5脚和7脚相连后连接到二极管D7正极和三极管Q3基极，三极管Q3集电极接地，二极管D7负极接二极管D8正极，二极管D8负极与三极管Q3发射极相连，三极管Q3发射级接电容C6一端，电容C6另一端接电感L1，电感L1与电感L2连接，电感L2接电阻R9，电阻R9接地，电感L1、电感L2之间引出端口作为输出端，记为端口Port-out3；
所述的能量控制及储蓄电路5的结构为：555定时器T2的1脚接数字地，2、6脚通过电容C7接数字地，4、8脚接+5V电源，5脚通过电容C8接数字地，2、6脚还通过电阻R10接7脚，7脚通过电阻R11接8脚，3脚接二输入与非门U4A的一个输入端和二输入与非门U4B的一个输入端，二输入与非门U3A的另一个输入端接二输入与非门U4C的输出端和N沟道场效应管Q4的栅极，二输入与非门U4A的输出端接二输入与非门U4C的一个输入端，二输入与非门U4C的另一个输入端接二输入与非门U4B的输出端，二输入与非门U4B的另一个输入端接运放U1B的输出端，运放U4A的8脚和4脚分别接+5V电源和数字地，同相输入端接稳压二极管D9的负极，还经电阻R12接+5V电源，稳压二极管D9的正极接数字地，运放U1B的反相输入端通过电阻R14接模拟地并通过电阻R13接滑动变阻器W4的一端，滑动变阻器W4的另一端接模拟地，滑线端接N沟道场效应管Q4的漏极、肖特基二极管D10的正极并通过电感L3接+12V电源，N沟道场效应管Q4的源极接模拟地，肖特基二极管D10的负极作为能量控制及储蓄电路5的输出端记为端口H_Vdc并通过相互并联的电容9、C10、C11、C12、C13接模拟地；
所述的功率输出电路6的结构为，MOSFET管U5A的1、3、4、6脚接地，2脚作为输入端口记为端口Port-in3，与端口Port-out3相连，5脚接二孔插针P2的2孔，二孔插针P2的1孔接端口H-Vdc。
本发明有外调制功能的大功率脉冲电流产生电路中，各元件优选参数为：电位器R1为100kΩ可调电阻，电位器R2为50kΩ可调电阻，电阻R3为5kΩ，电容C1为1uF，电容C2为10nF，二极管D1、二极管D2的型号均为1N4007，三极管Q1选用PNP型三极管S9012，电阻R4为20kΩ，R5为51kΩ，R6为5.1kΩ，R7为20kΩ，二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6的型号均为1N5817，电阻R8为2kΩ，N沟道场效应管Q2型号为2SK1482，继电器K1的型号为HRS4-S-DC12V，D触发器U2A型号为74LS74，电位器W1为10kΩ，电位器W2为50kΩ，电阻R9为10kΩ，电容C3为10pF，电容C4为100nF，电容C5为10uF，电容C6为100pF，二极管D7和二极管D8型号均为1N4148，PNP型三极管Q3型号为S9012，电位器W3为1kΩ，电感L1为10uH、电感L2为10uH，场效应管驱动器芯片型号为IXDD404，电阻R10为5.1kΩ，电阻R11为24kΩ，电容C7为1.2nF，电容C8为10nF，二输入与非门U4A、二输入与非门U4B、二输入与非门U4C是型号为CD4011的集成二输入与非门的3个工作单元，运放U1A、运放U1B是型号为TLC2252集成运放的2个工作单元，电感L3为560uH，电阻R12为5.1kΩ，电阻R13为15kΩ精密电阻，电阻R14为3.3kΩ精密电阻，N沟道场效应管Q4型号为IRF530，电位器W4为100kΩ，二极管D9为稳压二极管，稳定电压为2.5V，二极管D10的型号为SB5200，电容C9为4.7uF/150V涤纶电容，电容C10为4.7uF/150V涤纶电容，电容C11为100nF/150V涤纶电容，电容C12为10nF/150V涤纶电容，电容C13为4.7nF/150V涤纶电容，场效应管U5A型号为DE275-201N25A。
有益效果：
1、本发明能稳定输出的大幅度窄脉冲，能为半导体激光器提供稳定的大功率激励源。
2、本发明能在脉宽调节电路和功率输出电路之间增加了脉冲驱动电路，有效地解决前后级之间相互影响导致的窄脉冲输出波形不好的问题。
3、本发明设有外调制输入功能，可实现在复杂系统中与其它设备同步使用的功能。
4、本发明设计了能量控制及储能电路，有效提高了电路的输出电压。
附图说明：
图1是本发明的系统整体原理框图。
图2是本发明的脉冲产生电路1的原理电路图。
图3是本发明外调制输入电路2的原理电路图。
图4是本发明的脉宽调节电路3的原理电路图。
图5是本发明的脉冲驱动电路4的原理电路图。
图6是本发明能量控制及储蓄电路5的原理电路图。
图7是本发明的功率输出电路6的原理电路图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明各部分电路的具体结构和工作原理。附图中各原件参数为各实施例的优选电路参数。
实施例1 系统整体结构
如图1所示，系统结构有脉冲产生电路1、外调制输入电路2、脉宽调节电路3、脉冲驱动电路4、能量控制与储能电路5、功率输出电路6构成，脉冲产生电路1产生一路频率可调的方波信号作为脉宽调节电路3的一路输入，外调制电路2接收外部调制信号的输入并作为脉宽调节电路3的另一路输入，脉宽调节电路3根据需要从脉冲产生电路1和外调制输入电路2中选择一路信号并将其变换成脉宽可调的窄脉冲输出到脉冲驱动电路4，脉冲驱动电路4可实现前后级之间的阻抗匹配，同时隔离了后级对前级的影响，功率输出电路6将脉宽调节电路3输出的超短电压脉冲转换成超短电流脉冲输出到负载，能量控制及储能电路5将普通的直流电源转换成能量很高的高压源为功率输出电路6提供能量，以保证大负载下功率输出电路6能够输出有效的脉冲电流。
实施例2 脉冲产生电路
本发明的脉冲产生电路部分如图2所示，所述的脉冲产生电路1的结构为，芯片TLC555的1脚接地，4脚、8脚接+12V电源，2脚、6脚一起接二极管D1负极、电容C1的一端和二极管D2的正极，电容C2的另一端接地，二极管D2的负极接可调电阻R2的一端，可调电阻R2的另一端和二极管D1的正极一起接芯片TLC555的7脚，还接可调电阻R1的一端，可调电阻R1的另一端接PNP型三极管Q1的发射极和+12V电源，芯片TLC555的5脚通过电容C2接地，3脚接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极通过电阻R3接地，三极管Q1的集电极作为脉冲产生电路1的信号输出端，记为端口Port-out1。当系统工作在内触发模式时，该模块可产生一个频率可调的方波信号提供给脉宽调节电路3，通过调节该模块中的可调电阻R1、R2可改变方波的频率。
实施例3 外调制输入电路部分
本发明的外调至输入电路部分如图3所示，二孔插针P1的1孔通过电阻R4与运放U1A的反相输入端相连，2孔接地，运放U1A的输出端连接电阻R5，电阻R5连接电阻R6，R6接地，运放U1A的同相输入端连接在R5、电阻R6之间，二极管D3负极正极，二极管D3负极与运放U1A的反相输入端相连，二极管D4的负极接+5V电源，正极接运放U1A的反相输入端，二极管D5正极连接到电阻R7和二极管D6负极，电阻R7与运放U1A的输出端相连，二极管D6正极接地，二极管D5负极接+5V电源，在二极管D5、二极管D6之间引出外调制输入电路2的输出端，记为端口Port-out2。当系统工作在外调制模式时，该模块可接收外部调制信号，并调整到适合后级使用的幅度，输出给脉宽调节电路3。
实施例4 脉宽调节电路
本发明的脉宽调节电路部分如图4所示，单刀双掷开关SW-SPDT的1端口通过电阻R8接+12V电源，3端口接地，2端口接NMOS管Q2栅极，NMOS管Q2源极接地，漏极接继电器K1左端，继电器K1右端接+12V电源，触发器U2A的1脚接+5V电源，2脚接+12V电源，3脚连接继电器K1的公共端，继电器K1的两个选择端分别接端口Port-in1和端口Port-in2，触发器U2A的4脚接滑动变阻器W2滑线端，5脚连接到滑动变阻器W1滑线端，6脚作为输出端，记为端口Pulse-LC，滑动变阻器W1和滑动变阻器W2相连。通过单刀双掷开关SW-SPDT可以使继电器选择不同的输入信号，以实现内触发或外调制，由触发器U2A及滑动变阻器W1和滑动变阻器W2构成的脉冲整形电路将前级的普通方波变换成超窄脉冲，且脉冲宽度可以由滑动变阻器W1和滑动变阻器W2进行调节。
实施例5 脉冲驱动电路部分
本发明的脉冲驱动电路部分如图5所示，滑动变阻器W3的一端通过电容C3接地，滑线端接端口Pulse-LC，电容C3未接地的一端接到MOSFET驱动器U3A的2、4引脚，电容C4、电容C5并联后一端接地，另一端接MOSFET驱动器U3A的1、6、8引脚及+12V电源，MOSFET驱动器U3A的3脚接地，5脚和7脚相连后连接到二极管D7正极和三极管Q3基极，三极管Q3集电极接地，二极管D7负极接二极管D8正极，二极管D8负极与三极管Q3发射极相连，三极管Q3发射级接电容C6一端，电容C6另一端接电感L1，电感L1与电感L2连接，电感L2接电阻R9，电阻R9接地，电感L1、电感L2之间引出端口作为输出端，记为端口Port-out3。该模块实现前后级之间的阻抗匹配，有效地将前级的超窄脉冲电压信号输出到后级的功率输出电路5，同时隔离了后级对前级的影响。
实施例6 能量控制及储蓄电路部分
本发明的能量控制及储能电路部分如图6所示，电容C7、C8、C9、C10、C11并联后一端接地，另一端作为输出端记为端口H-Vdc，还接二极管D9负极，二极管D9正极接变压器T1初级线圈一端，变压器T1初级线圈另一端接地，次级线圈左端口接电阻R10，电阻R10接+12V电源后与DC-DC变换器U4A的6脚相连，DC-DC变换器U4A的6脚接电容C12，电容C12另一端接地，DC-DC变换器U4A的6脚还接电阻R12，电阻R12接DC-DC变换器U4A的1脚，变压器T1次级线圈左端口还通过电阻R11与DC-DC变换器U4A的8脚连接，变压器T1次级线圈左端口还与DC-DC变换器U4A的7脚相连，DC-DC变换器U4A的5脚接电阻R13，电阻R13另一端同时接地和DC-DC变换器U4A的4脚，变压器T1次级线圈右端口接NMOS管Q4漏极，NMOS管Q4源极接地，栅极接DC-DC变换器U4A的2脚并通过电阻R14接地，DC-DC变换器U4A的3脚通过电容C13接地，二极管D9的正极通过电阻R15连接到滑动变阻器W4滑线端，滑动变阻器W4的一端接DC-DC变换器U4A的5脚。该模块将普通的直流电压源的能量和电压提高到百伏级别(类似于憋坝效应)，在功率输出电路5输出窄脉冲的瞬间，为其提供足够的能量，以实现大负载的条件下仍能输出设定电流。
实施例7 功率输出电路部分
本发明的功率输出电路部分如图7所示，MOSFET管U5A的1、3、4、6脚接地，2脚作为输入端口记为端口Port-in3，与端口Port-out3相连，5脚接二孔插针P2的2孔，二孔插针P2的1孔接端口H-Vdc。该模块将前级产生的窄脉冲电压信号变换为窄脉冲电流信号输出到负载。

Claims (2)

1.一种有外调制功能的大功率脉冲电流产生电路，结构有脉冲产生电路(1)、脉宽调节电路(3)和功率输出电路(6)，其特征在于，结构还有外调制输入电路(2)、脉冲驱动电路(4)和能量控制及储蓄电路(5)；
所述的脉冲产生电路(1)的结构为，555定时器T1的1脚接地，4脚、8脚接+12V电源，2脚、6脚一起接二极管D1负极、电容C1的一端和二极管D2的正极，电容C1的另一端接地，二极管D2的负极接可调电阻R2的一端，可调电阻R2的另一端和二极管D1的正极一起接555定时器T1的7脚，还接可调电阻R1的一端，可调电阻R1的另一端接PNP型三极管Q1的发射极和+12V电源，555定时器T1的5脚通过电容C2接地，3脚接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极通过电阻R3接地，三极管Q1的集电极作为脉冲产生电路(1)的信号输出端，记为端口Port-out1；
所述的外调制输入电路(2)的结构为，二孔插针P1的1孔通过电阻R4与运放U1A的反相输入端相连，2孔接地，运放U1A的输出端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接地，运放U1A的同相输入端连接在R5、电阻R6之间，二极管D3正极接地，二极管D3负极与运放U1A的反相输入端相连，二极管D4的负极接+5V电源，正极接运放U1A的反相输入端，二极管D5正极连接到电阻R7的一端和二极管D6负极，电阻R7的另一端与运放U1A的输出端相连，二极管D6正极接地，二极管D5负极接+5V电源，在二极管D5、二极管D6之间引出外调制输入电路(2)的输出端，记为端口Port-out2；
所述的脉宽调节电路(3)的结构为，单刀双掷开关SW-SPDT的1端口通过电阻R8接+12V电源，3端口接地，2端口接NMOS管Q2栅极，NMOS管Q2源极接地，漏极接继电器K1左端，继电器K1右端接+12V电源，触发器U2A的1脚接+5V电源，2脚接端口Enable，3脚连接继电器K1的公共端，继电器K1的两个选择端分别接端口Port-in1和端口Port-in2，触发器U2A的4脚接滑动变阻器W2滑线端，5脚连接到滑动变阻器W1滑线端，6脚作为输出端，记为端口Pulse-LC，滑动变阻器W1和滑动变阻器W2相连；
所述的脉冲驱动电路(4)的结构为，滑动变阻器W3的一端通过电容C3接地，滑线端接端口Pulse-LC，电容C3未接地的一端接到MOSFET驱动器U3A的2、4引脚，电容C4、电容C5并联后一端接地，另一端接MOSFET驱动器U3A的1、6、8引脚及+12V电源，MOSFET驱动器U3A的3脚接地，5脚和7脚相连后连接到二极管D7正极和三极管Q3基极，三极管Q3集电极接地，二极管D7负极接二极管D8正极，二极管D8负极与三极管Q3发射极相连，三极管Q3发射级接电容C6一端，电容C6另一端接电感L1一端，电感L1另一端接电感L2一端，电感L2另一端接电阻R9一端，电阻R9另一端接地，电感L1、电感L2之间引出端口作为输出端，记为端口Port-out3；
所述的能量控制及储蓄电路(5)的结构为：555定时器T2的1脚接数字地，2、6脚通过电容C7接数字地，4、8脚接+5V电源，5脚通过电容C8接数字地，2、6脚还通过电阻R10接7脚，7脚通过电阻R11接8脚，3脚接二输入与非门U4A的一个输入端和二输入与非门U4B的一个输入端，二输入与非门U4A的另一个输入端接二输入与非门U4C的输出端和N沟道场效应管Q4的栅极，二输入与非门U4A的输出端接二输入与非门U4C的一个输入端，二输入与非门U4C的另一个输入端接二输入与非门U4B的输出端，二输入与非门U4B的另一个输入端接运放U1B的输出端，运放U1B的8脚和4脚分别接+5V电源和数字地，同相输入端接稳压二极管D9的负极，还经电阻R12接+5V电源，稳压二极管D9的正极接数字地，运放U1B的反相输入端通过电阻R14接模拟地并通过电阻R13接滑动变阻器W4的一端，滑动变阻器W4的另一端接模拟地，滑线端接N沟道场效应管Q4的漏极、肖特基二极管D10的正极并通过电感L3接+12V电源，N沟道场效应管Q4的源极接模拟地，肖特基二极管D10的负极作为能量控制及储蓄电路(5)的输出端记为端口H_Vdc并通过相互并联的电容C9、C10、C11、C12、C13接模拟地；
所述的功率输出电路(6)的结构为，MOSFET管U5A的1、3、4、6脚接地，2脚作为输入端口记为端口Port-in3，与端口Port-out3相连，5脚接二孔插针P2的2孔，二孔插针P2的1孔接端口H-Vdc。
2.根据权利要求1所述的一种有外调制功能的大功率脉冲电流产生电路，其特征在于，各元件参数为：电位器R1为100kΩ可调电阻，电位器R2为50kΩ可调电阻，电阻R3为5kΩ，电容C1为1uF，电容C2为10nF，二极管D1、二极管D2的型号均为1N4007，三极管Q1选用PNP型三极管S9012，电阻R4为20kΩ，R5为51kΩ，R6为5.1kΩ，R7为20kΩ，二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6的型号均为1N5817，电阻R8为2kΩ，N沟道场效应管Q2型号为2SK1482，继电器K1的型号为HRS4-S-DC12V，D触发器U2A型号为74LS74，电位器W1为10kΩ，电位器W2为50kΩ，电阻R9为10kΩ，电容C3为10pF，电容C4为100nF，电容C5为10uF，电容C6为100pF，二极管D7和二极管D8型号均为1N4148，PNP型三极管Q3型号为S9012，电位器W3为1kΩ，电感L1为10uH、电感L2为10uH，场效应管驱动器芯片型号为IXDD404，电阻R10为5.1kΩ，电阻R11为24kΩ，电容C7为1.2nF，电容C8为10nF，二输入与非门U4A、二输入与非门U4B、二输入与非门U4C是型号为CD4011的集成二输入与非门的3个工作单元，运放U1A、运放U1B是型号为TLC2252集成运放的2个工作单元，电感L3为560uH，电阻R12为5.1kΩ，电阻R13为15kΩ精密电阻，电阻R14为3.3kΩ精密电阻，N沟道场效应管Q4型号为IRF530，电位器W4为100kΩ，二极管D9为稳压二极管，稳定电压为2.5V，二极管D10的型号为SB5200，电容C9为4.7uF/150V涤纶电容，电容C10为4.7uF/150V涤纶电容，电容C11为100nF/150V涤纶电容，电容C12为10nF/150V涤纶电容，电容C13为4.7nF/150V涤纶电容，场效应管U5A型号为DE275-201N25A。
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