CN106787926B - 一种大功率脉冲电流产生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种大功率脉冲电流产生系统属于电子技术的技术领域,结构有脉冲发生电路(1)、脉宽调节电路(2)、脉冲驱动电路(3)、能量控制电路(4)、能量储蓄电路(5)和功率输出电路(6)。本发明能稳定输出的大幅度窄脉冲,具有输出波形好、输出电压高等优点。
Description
技术领域
本发明属于电子设备技术领域,特别涉及一种脉冲电流产生系统。
背景技术
自1962年半导体激光器的发明以来,半导体激光器的应用范围覆盖了光电子学的诸多领域,成为当今光电子科学的核心技术。半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小,寿命长,并可以采用简单的注入式电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容,因而可与之单片集成。半导体激光器由激光二极管和驱动电源组成,驱动电源作为半导体激光器的重要组成部分,其性能很大程度上决定了半导体激光器的最终性能:峰值驱动电流的幅度决定了半导体激光器输出光脉冲的峰值功率;窄脉宽电流脉冲有利于激励半导体激光器产生超短光脉冲。此外,大功率脉冲电流还在医疗仪器、超声波技术以及工业技术等多个领域内有着重要应用。
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,该文献中,给出了一种应用于半导体激光器的脉冲电流源的设计方案,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。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,提供一种大功率半导体激光器脉冲驱动器。
本发明的技术问题通过以下技术方案解决:
一种大功率脉冲电流产生系统,结构有脉冲发生电路(1)、脉宽调节电路(2)和功率输出电路(6),其特征在于,结构还有脉冲驱动电路(3)、能量控制电路(4)和能量储蓄电路(5);
所述的脉冲发生电路1的结构为:电容C1的一端接电阻R1的一端,电阻R1的另一端接运放U1A的输出端,电容C1的另一端接运放U1A的同相输入端,电容C2与电阻R2并联后一端连接运放U1A的同相输入端,另一端接模拟地;电阻R3一端接运放U1A的反向输入端,另一端接模拟地,二极管D1与D2反向并联再与R4并联,三者一端接在运放U1A的反相输入端,另一端接在运放U1A的输出端,运放U1A的输出端接电容C5的一端,电容C5的另一端接电容C3的一端和电阻R6的一端以及芯片TLC555的6脚和2脚,电容C3的另一端接模拟地,电阻R6的另一端连接电阻R5的一端和芯片TLC555的7脚,电阻R5的另一端以及芯片TLC555的4脚和8脚接+12V电源,芯片TLC555的1脚接模拟地,5脚通过电容C4接模拟地,3脚接芯片DM74LS161AM的2脚,芯片DM74LS161AM的3脚~6脚及8脚均接模拟地,7脚、10脚、1脚及16脚均接+12V电源,11脚和14脚分别接与非门U3A的两个输入端,9脚接与非门U3A的输出端,15脚作为脉冲信号输出端记为端口Port-out1;
所述的脉宽调节电路2的结构为:芯片74LS10的13脚接+12V电源,1脚、3脚接一起,作为脉宽调节电路2的输入端,记为端口Port-in,5脚、6脚、9脚、10脚、14脚均接+5V电源,7脚接数字地,2脚接滑动变阻器W2的滑线端,11、12管脚连接,6脚接滑动变阻器W1的一端,W1的滑线端接滑动变阻器W2的一端,W2另一端接模拟地,芯片74LS10的8脚作为脉宽调节电路2的输出端,记为端口Pulse-LC;
所述的脉冲驱动电路3的结构为:滑动变阻器W3的一端通过电容C8接地,滑线端接脉宽调节电路2的端口Pulse-LC,电容C8未接地的一端接到MOSFET驱动器IXDD404的2、4引脚,电容C6、电容C7并联后一端接模拟地,另一端接MOSFET驱动器IXDD404的1、6、8引脚及+12V电源,MOSFET驱动器IXDD404的3脚接模拟地,5脚和7脚相连后连接到二极管D3正极和三极管Q1基极,三极管Q1集电极接地,二极管D3负极接二极管D4正极,二极管D4负极与三极管Q1发射极相连,三极管Q1发射级接电容C9一端,电容C9另一端接电感L1,电感L1与电感L2连接,电感L2接电阻R7,电阻R7接模拟地,电感L1、电感L2之间引出端口作为输出端,记为端口Port-out2;
所述的能量控制电路4的结构为:TLC555定时器的1脚接数字地,2、6脚通过电容C10接数字地,4、8脚接+5V电源,5管脚通过电容C11接数字地,2、6脚还通过电阻R18接7脚,7脚通过电阻R9接8脚,3脚作为能量控制电路4的输出端,记为端口SW-Pulse;
所述的能量储蓄电路5为:二输入与非门U3B的一个输入端接能量控制电路4的端口SW_Pulse和二输入与非门U3C的一个输入端,二输入与非门U3B的另一个输入端接二输入与非门U3D的输出端和N沟道场效应管Q2的栅极,二输入与非门U3B的输出端接二输入与非门U3D的一个输入端,二输入与非门U3D的另一个输入端接二输入与非门U3C的输出端,二输入与非门U3C的另一个输入端接运放U4A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D6的负极,还经电阻R10接+5V电源,稳压二极管D6的正极接数字地,运放U4A的反相输入端通过电阻R11接模拟地并通过电阻R12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Q2的漏极、肖特基二极管D5的正极并通过电感L3接+12V电源,N沟道场效应管Q2的源极接模拟地,肖特基二极管D5的负极作为能量储蓄电路5的输出端记为端口H_Vdc并通过相互并联的电容C12、C13、C14、C15和C16接模拟地;
所述的功率输出电路6的结构为:芯片DE275-201N25A的1、3、4、6管脚接模拟地,2管脚作为功率输出电路6的输入端,记为端口Port-in2,接脉冲驱动电路3的端口Port-out2,5管脚接二孔插针P1的2孔,二孔插针P1的1孔接能量储蓄电路5的端口H-Vdc。
本发明一种大功率脉冲电流产生系统中,各元件的优选参数为:电阻R1、电阻R2均为500Ω,电阻R3为1kΩ,电阻R4为1.5kΩ,电阻R5、电阻R6均为10kΩ,电容C1、电容C2均为330nF,电容C3为40pF,电容C4为100μF,电位器W1为10kΩ,电位器W2为50kΩ,电阻R7为10kΩ,电容C6为100nF,电容C7为10uF,电容C8为10pF,电容C9为100pF,二极管D3和二极管D4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40uH、电感L2为10uH,场效应管驱动器芯片型号为IXDD404,电阻R8为5.1kΩ,电阻R9为24kΩ,电容C10为1.2nF,电容C11为10nF,二输入与非门U3A、二输入与非门U3B、二输入与非门U3C、二输入与非门U3D是型号为CD4011的集成二输入与非门的4个工作单元,运放U4A是型号为TLC2252集成运放的1个工作单元,电感L3为560uH,电阻R10为5.1kΩ,电阻R11为3.3kΩ精密电阻,电阻R12为15kΩ精密电阻,N沟道场效应管Q2型号为IRF530,电位器W4为100kΩ,二极管D5的型号为SB5200,二极管D6为稳压二极管,稳定电压为2.5V,电容C12为4.7uF/150V涤纶电容,电容C13为4.7uF/150V涤纶电容,电容C14为100nF/150V涤纶电容,电容C15为10nF/150V涤纶电容,电容C16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为本发明的整体结构。
图2为脉冲发生电路1的原理电路。
图3为脉宽调节电路2的原理电路。
图4为脉冲驱动电路3的原理电路。
图5为能量控制电路4的原理电路。
图6为能量储蓄电路5的原理电路。
图7为功率输出电路6的原理电路。
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。
实施例1本发明的整体结构
本发明的整体结构如图1所示,脉冲发生电路1与脉宽调节电路电路2相连,脉宽调节电路2与脉冲驱动电路3相连,能量控制电路4与能量储蓄电路5相连,脉冲驱动电路3和能量储蓄电路5均与功率输出电路6相连。
实施例2脉冲发生电路
脉冲发生电路1的结构如图2所示:电容C1的一端接电阻R1的一端,电阻R1的另一端接运放U1A的输出端,电容C1的另一端接运放U1A的同相输入端,电容C2与电阻R2并联后一端连接运放U1A的同相输入端,另一端接模拟地;电阻R3一端接运放U1A的反向输入端,另一端接模拟地,二极管D1与D2反向并联再与R4并联,三者一端接在运放U1A的反相输入端,另一端接在运放U1A的输出端,运放U1A的输出端接电容C5的一端,电容C5的另一端接电容C3的一端和电阻R6的一端以及芯片TLC555的6脚和2脚,电容C3的另一端接模拟地,电阻R6的另一端连接电阻R5的一端和芯片TLC555的7脚,电阻R5的另一端以及芯片TLC555的4脚和8脚接+12V电源,芯片TLC555的1脚接模拟地,5脚通过电容C4接模拟地,3脚接芯片DM74LS161AM的2脚,芯片DM74LS161AM的3脚~6脚及8脚均接模拟地,7脚、10脚、1脚及16脚均接+12V电源,11脚和14脚分别接与非门U3A的两个输入端,9脚接与非门U3A的输出端,15脚作为脉冲信号输出端记为端口Port-out1。
先由运放U1A构成的文氏振荡电路产生正弦波信号。再通过555组成的多谐振荡器变换成矩形波,经过74LS161计数器可以降频。降频后的矩形波输出到下一级的脉宽调节电路。
实施例3脉宽调节电路
所述的脉宽调节电路2的结构如图3所示:芯片74LS10的13脚接+12V电源,1脚、3脚接一起,作为脉宽调节电路2的输入端,记为端口Port-in,5脚、6脚、9脚、10脚、14脚均接+5V电源,7脚接数字地,2脚接滑动变阻器W2的滑线端,11、12管脚连接,6脚接滑动变阻器W1的一端,W1的滑线端接滑动变阻器W2的一端,W2另一端接模拟地,芯片74LS10的8脚作为脉宽调节电路2的输出端,记为端口Pulse-LC。
该电路主要由74S10(三输入与非门)及其外围电路连接着滑动变阻器构成,通过此电路将脉冲发生电路1产生的矩形脉冲进一步整形,调节滑动变阻器W3可控制输出脉冲的脉宽(其范围为20ns-500ns)。
实施例4脉冲驱动电路
所述的脉冲驱动电路3的结构如图4所示:滑动变阻器W3的一端通过电容C8接地,滑线端接脉宽调节电路2的端口Pulse-LC,电容C8未接地的一端接到MOSFET驱动器IXDD404的2、4引脚,电容C6、电容C7并联后一端接模拟地,另一端接MOSFET驱动器IXDD404的1、6、8引脚及+12V电源,MOSFET驱动器IXDD404的3脚接模拟地,5脚和7脚相连后连接到二极管D3正极和三极管Q1基极,三极管Q1集电极接地,二极管D3负极接二极管D4正极,二极管D4负极与三极管Q1发射极相连,三极管Q1发射级接电容C9一端,电容C9另一端接电感L1,电感L1与电感L2连接,电感L2接电阻R7,电阻R7接模拟地,电感L1、电感L2之间引出端口作为输出端,记为端口Port-out2。
该电路实现前后级之间的阻抗匹配,有效地将前级脉宽调节电路的超窄脉冲电压信号输出到后级的功率输出电路6,同时隔离了后级对前级的影响。
实施例5能量控制电路
所述的能量控制电路4的结构如图5所示:TLC555定时器的1脚接数字地,2、6脚通过电容C10接数字地,4、8脚接+5V电源,5管脚通过电容C11接数字地,2、6脚还通过电阻R18接7脚,7脚通过电阻R9接8脚,3脚作为能量控制电路4的输出端,记为端口SW-Pulse。
该电路主要由TLC555定时器及其外围线路组成。555定时器用来产生频率为35.73kHZ,占空比为85.1%的方波用于给能量储蓄电路5提供控制信号。
实施例6能量储蓄电路
所述的能量储蓄电路5的结构如图6所示:二输入与非门U3B的一个输入端接能量控制电路4的端口SW_Pulse和二输入与非门U3C的一个输入端,二输入与非门U3B的另一个输入端接二输入与非门U3D的输出端和N沟道场效应管Q2的栅极,二输入与非门U3B的输出端接二输入与非门U3D的一个输入端,二输入与非门U3D的另一个输入端接二输入与非门U3C的输出端,二输入与非门U3C的另一个输入端接运放U4A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D6的负极,还经电阻R10接+5V电源,稳压二极管D6的正极接数字地,运放U4A的反相输入端通过电阻R11接模拟地并通过电阻R12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Q2的漏极、肖特基二极管D5的正极并通过电感L3接+12V电源,N沟道场效应管Q2的源极接模拟地,肖特基二极管D5的负极作为能量储蓄电路5的输出端记为端口H_Vdc并通过相互并联的电容C12、C13、C14、C15和C16接模拟地。
该电路在能量控制电路4的控制下,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6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
所述的功率输出电路6的结构如图7所示:芯片DE275-201N25A的1、3、4、6管脚接模拟地,2管脚作为功率输出电路6的输入端,记为端口Port-in2,接脉冲驱动电路3的端口Port-out2,5管脚接二孔插针P1的2孔,二孔插针P1的1孔接能量储蓄电路5的端口H-Vdc。
该电路将前级产生的窄脉冲电压信号变换为大功率窄脉冲电流信号输出到负载。
Claims (2)
1.一种大功率脉冲电流产生系统,结构有脉冲发生电路(1)、脉宽调节电路(2)和功率输出电路(6),其特征在于,结构还有脉冲驱动电路(3)、能量控制电路(4)和能量储蓄电路(5);
所述的脉冲发生电路(1)的结构为:电容C1的一端接电阻R1的一端,电阻R1的另一端接运放U1A的输出端,电容C1的另一端接运放U1A的同相输入端,电容C2与电阻R2并联后一端连接运放U1A的同相输入端,另一端接模拟地;电阻R3一端接运放U1A的反向输入端,另一端接模拟地,二极管D1与D2反向并联再与R4并联,三者一端接在运放U1A的反相输入端,另一端接在运放U1A的输出端,运放U1A的输出端接电容C5的一端,电容C5的另一端接电容C3的一端和电阻R6的一端以及芯片TLC555的6脚和2脚,电容C3的另一端接模拟地,电阻R6的另一端连接电阻R5的一端和芯片TLC555的7脚,电阻R5的另一端以及芯片TLC555的8脚接+12V电源,芯片TLC555的1脚接模拟地,5脚通过电容C4接模拟地,3脚接芯片DM74LS161AM的2脚,芯片DM74LS161AM的3脚~6脚及8脚均接模拟地,7脚、10脚、1脚及16脚均接+12V电源,11脚和14脚分别接与非门U3A的两个输入端,9脚接与非门U3A的输出端,15脚作为脉冲信号输出端记为端口Port-out1;
所述的脉宽调节电路(2)的结构为:芯片74LS10的13脚接+12V电源,1脚、3脚接一起,作为脉宽调节电路(2)的输入端,记为端口Port-in1,4脚、5脚、9脚、10脚、14脚均接+5V电源,7脚接数字地,2脚接滑动变阻器W2的滑线端,11、12管脚连接,6脚接滑动变阻器W1的一端,W1的滑线端接滑动变阻器W2的一端,W2另一端接模拟地,芯片74LS10的8脚作为脉宽调节电路(2)的输出端,记为端口Pulse-LC;
所述的脉冲驱动电路(3)的结构为:滑动变阻器W3的一端通过电容C8接地,滑线端接脉宽调节电路(2)的端口Pulse-LC,电容C8未接地的一端接到MOSFET驱动器IXDD404的2、4引脚,电容C6、电容C7并联后一端接模拟地,另一端接MOSFET驱动器IXDD404的1、6、8引脚及+12V电源,MOSFET驱动器IXDD404的3脚接模拟地,5脚和7脚相连后连接到二极管D3正极和三极管Q1基极,三极管Q1集电极接地,二极管D3负极接二极管D4正极,二极管D4负极与三极管Q1发射极相连,三极管Q1发射级接电容C9一端,电容C9另一端接电感L1,电感L1与电感L2连接,电感L2接电阻R7,电阻R7接模拟地,电感L1、电感L2之间引出端口作为输出端,记为端口Port-out2;
所述的能量控制电路(4)的结构为:TLC555定时器的1脚接数字地,2、6脚通过电容C10接数字地,4、8脚接+5V电源,5管脚通过电容C11接数字地,2、6脚还通过电阻R8接7脚,7脚通过电阻R9接8脚,3脚作为能量控制电路(4)的输出端,记为端口SW-Pulse;
所述的能量储蓄电路(5)为:二输入与非门U3B的一个输入端接能量控制电路(4)的端口SW_Pulse和二输入与非门U3C的一个输入端,二输入与非门U3B的另一个输入端接二输入与非门U3D的输出端和N沟道场效应管Q2的栅极,二输入与非门U3B的输出端接二输入与非门U3D的一个输入端,二输入与非门U3D的另一个输入端接二输入与非门U3C的输出端,二输入与非门U3C的另一个输入端接运放U4A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D6的负极,还经电阻R10接+5V电源,稳压二极管D6的正极接数字地,运放U4A的反相输入端通过电阻R11接模拟地并通过电阻R12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Q2的漏极、肖特基二极管D5的正极并通过电感L3接+12V电源,N沟道场效应管Q2的源极接模拟地,肖特基二极管D5的负极作为能量储蓄电路(5)的输出端记为端口H_Vdc并通过相互并联的电容C12、C13、C14、C15和C16接模拟地;
所述的功率输出电路(6)的结构为:芯片DE275-201N25A的1、3、4、6管脚接模拟地,2管脚作为功率输出电路(6)的输入端,记为端口Port-in2,接脉冲驱动电路(3)的端口Port-out2,5管脚接二孔插针P1的2孔,二孔插针P1的1孔接能量储蓄电路(5)的端口H-Vdc。
2.根据权利要求1所述的一种大功率脉冲电流产生系统,其特征在于,各元件的参数为:电阻R1、电阻R2均为500Ω,电阻R3为1kΩ,电阻R4为1.5kΩ,电阻R5、电阻R6均为10kΩ,电容C1、电容C2均为330nF,电容C3为40pF,电容C4为100μF,电位器W1为10kΩ,电位器W2为50kΩ,电阻R7为10kΩ,电容C6为100nF,电容C7为10uF,电容C8为10pF,电容C9为100pF,二极管D3和二极管D4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40uH、电感L2为10uH,场效应管驱动器芯片型号为IXDD404,电阻R8为5.1kΩ,电阻R9为24kΩ,电容C10为1.2nF,电容C11为10nF,二输入与非门U3A、二输入与非门U3B、二输入与非门U3C、二输入与非门U3D是型号为CD4011的集成二输入与非门的4个工作单元,运放U4A是型号为TLC2252集成运放的1个工作单元,电感L3为560uH,电阻R10为5.1kΩ,电阻R11为3.3kΩ精密电阻,电阻R12为15kΩ精密电阻,N沟道场效应管Q2型号为IRF530,电位器W4为100kΩ,二极管D5的型号为SB5200,二极管D6为稳压二极管,稳定电压为2.5V,电容C12为4.7uF/150V涤纶电容,电容C13为4.7uF/150V涤纶电容,电容C14为100nF/150V涤纶电容,电容C15为10nF/150V涤纶电容,电容C16为4.7nF/150V涤纶电容,场效应管U5A型号为DE275-201N25A。
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