CN110880884A - 基于雪崩三极管级联电路的输出可调纳秒脉冲源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲输出源的控制电路、控制方法以及相应的脉冲源系统。所述控制电路包括触发部分、级联充放电部分和负载部分，所述级联充放电部分包括多个依次级联的单元，每个上述单元都包括一个雪崩晶体管、一个用于开关控制的雪崩晶体管(以下简称：可控晶体管)、限流电阻和充电电容；其中每个上述单元中的所述可控晶体管的基极用于接收控制信号，从而能够选择将该单元中的充电电容排除在放电电容组之外，以实现脉冲输出源输出功率的调节。本发明从能量源头对电量选择性地汇集，成本低廉、容易制作,脉冲源系统能够在增加控制灵活性的同时，满足更多应用场景的需求。

Description

基于雪崩三极管级联电路的输出可调纳秒脉冲源

技术领域

本发明涉及控制电路技术领域，尤其涉及脉冲源的控制电路、控制方法以及脉冲源系统。

背景技术

随着电子产品的日益革新，在比如探地雷达、杀菌、工业加工、激光选通成像等诸多领域中，对高电压、大功率、重复频率的纳秒级窄脉冲信号源的需求也越来越多。以应用越来越广泛的激光器件为例，常用的小型激光器工作时的功率约为十毫瓦级至百毫瓦级，乃至部分到达瓦级。一般情况下供电功率过大会导致激光器损坏，然而瞬间的高功率并不会致使激光器损坏，因而瞬间触发点亮激光器的应用也油然而生，随之瞬间触发激光点亮的方法，比如将一般输出的连续激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射的调Q技术也得到了发展。尽管调Q激光器的峰值功率可以提高几个数量级，但是这种触发激光器的方法有频段限制的缺点，并不是所有的激光器都可以这么做，相比较之下，同样能获得高峰值功率、窄脉冲的雪崩级联电路控制方法具有更好的频段普适性。

在实际应用中，电压或功率并不是一成不变的越高越好，有时需要在多种电压或功率之间进行切换，以根据不同的应用场景适用不同的输出结果。例如在驱动激光管的应用中，为使激光的亮度随应用场景发生自动调节，此时就需要通过调节驱动功率来实现等。现有雪崩级联电路尽管款式多样，但基本都是基于Mark级联电路，且输出功率固定，对输出要求多样性的设备来说有着非常大的局限性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高压窄脉冲输出源的控制电路，对多级Mark级联电路的结构进行改进，增加特定的开关控制模块，并结合软件来实现对级联电路中部分单元进行选择性级联，从而到达输出可控的目的。

具体地，一种脉冲输出源控制电路包括触发部分、级联充放电部分和负载部分。所述级联充放电部分包括多个依次级联的单元，每个上述单元都包括一个雪崩晶体管、一个可控晶体管、限流电阻和充电电容；其中直流电源经过限流电阻加到所述雪崩晶体管的集电极，当所述雪崩晶体管处于截止状态时，所述直流电源能够经过限流电阻为所述充电电容充电；所述雪崩晶体管的发射极接地；每个上述单元中的雪崩晶体管的基极连接与当前所述单元紧邻的上一个单元或者与当前所述单元紧邻的所述触发部分中的充电电容。每个上述单元中的所述可控晶体管的基极用于接收控制信号，所述可控晶体管的发射极连接当前单元中雪崩晶体管的基极，所述可控晶体管的集电极连接与当前所述单元紧邻的下一个单元中雪崩晶体管的集电极。

优选地，所述可控晶体管与所述雪崩晶体管为同型号的晶体管。例如所述可控晶体管为NPN型。

进一步，所述雪崩晶体管的触发方式为触发导通、过压导通或者快速上升沿导通。当所述可控晶体管的触发方式为硬件触发，或软件触发。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种高压窄脉冲输出源的控制方法，其使用上述脉冲输出源的控制电路，当所述触发部分没有接收到触发信号时，所述直流电源为所述充电电容充电；当所述触发部分接收到所述触发信号时，包括了多个所述充电电容的电容组开始放电以实现功率输出；为了实现输出功率的调节，向一个、两个或者多个所述单元中的所述可控晶体管的基极提供触发信号以将该可控晶体管所在单元中的充电电容排除在所述电容组之外，从而实现输出功率的调节。

优选地，向所述可控晶体管的基极提供触发信号具体为向相互间隔的两个或多个单元的可控晶体管的基极提供触发信号。同时，向所述触发部分提供的触发信号与向所述可控晶体管的基极提供的触发信号也可以相同

进一步，在向所述触发部分提供触发信号之前向所述可控晶体管的基极提供触发信号。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种高压窄脉冲输出源系统，所述系统的控制电路包括上述所述的脉冲输出源控制电路，并能够使用上述脉冲输出源控制方法来调节所述系统的输出功率。

本发明基于Mark雪崩级联控制电路制作高峰值、窄脉冲的信号源，并结合软件控制，实现电压、功率输出可调，在增加控制灵活性的同时，使得输出源及相应控制能够满足更多应用场景的需求。此外，本发明从能量源头对电压选择性地汇集，对驱动源的频段没有任何限制，成本低廉、容易制作。

附图说明

图1是现有技术多管Mark级联电路示意图，图1a为多管串联电路，图1b为多级Mark电路，图1c为多管并联电路；

图2是现有技术n级Mark电路级联电路示意图；

图3为本发明改进后的n级Mark电路级联电路示意图；

图4为本发明P0+P1触发时的放电电容组合线路示意图；

图5为本发明50欧姆负载下6级雪崩电路输出示意图；

图6为本发明50欧姆负载下4级雪崩电路输出示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

基础电路分别如图1a至1c所示，目前Mark级联电路主要有多管串联级联、多管并联级联，随着应用的增多，串并结合的方式也很多。多管串联能在高压驱动下有效的降低单管的击穿风险。多管并联能够实现对充电电容进行并充串放，实现更高的输出电压。多管串并结合能够吸取两种方式的优点，能够高效地输出瞬间高压、高功率脉冲。

雪崩晶体管的雪崩触发方式包含三种：触发导通、过压导通、快速上升沿导通。在本实施例中以触发导通方式为例，但整体方案并不局限于此触发方式，本领域技术人员容易理解，另外两种触发方式也同样适用，并根据触发方式的不同，本领域技术人员知晓如何修改触发源端的部分电路。参见图2所示，为n级Mark级联电路的相对完整的示意图，其主要包括触发部分、级联充放电部分和负载部分。在本实施例中，雪崩晶体管采用触发导通的方式。其中，触发部分包括雪崩晶体管Q0、限流电阻R01、基级静态电阻R02、电容C00和电容C0，触发部分属于一级雪崩，C00为滤波电容，对触发信号进行滤波隔直作用。高压直流电源DC经过限流电阻R01加到雪崩晶体管Q0的集电极，当触发脉冲P0来临之前，雪崩晶体管Q0处于截止状态，因而电源DC经过R01给电容C0充电。触发部分与级联充放电部分相连，级联充放电部分包括n个独立的单元，n>＝1。每一个上述单元都包括一个雪崩晶体管Qm、限流电阻Rm1和Rm2、电容Cm，其中m＝1、2、3……n。电流源DC经过限流电阻Rm1加到雪崩晶体管Qm的集电极，雪崩晶体管Qm的发射极经过Rm2接地，雪崩晶体管Qm的基极与其前面单元电容的一端相连，当雪崩晶体管Qm处于截止状态时，电源DC经过Rm1给电容Cm充电。

如图2所示，图中的级联充放电部分示例出了4个单元，第一个单元包括一个雪崩晶体管Q1、限流电阻R11和R12、电容C1，即，对于该单元来说m＝1。电流源DC经过限流电阻R11加到雪崩晶体管Q1的集电极，雪崩晶体管Q1的发射极经过R12接地，雪崩晶体管Q1的基极与其前面单元电容的一端相连。对于第一个单元来说，该单元前面为触发部分，所以雪崩晶体管Q1的基极与触发部分的电容C0的一端相连。当雪崩晶体管Q1处于截止状态时，电源DC经过R11给电容C1充电。各个单元的电路结构相同，例如第二个单元包括一个雪崩晶体管Q2、限流电阻R21和R22、电容C2，该单元中雪崩晶体管Q2的基极连接其前面单元，即第一单元中电容C1的一端。依此类推，实现各级电容的并行充电。也就是说，当触发部分没有接收到触发信号脉冲P0时，雪崩晶体管Q0、……、Qm都处于截止状态，各级储能电容均处于充电状态。级联充放电部分中最后一个单元连接负载部分。负载部分为阻抗不定的用电设备，此处用RLOAD表示。

当触发脉冲P0发出后，触发部分的雪崩晶体管Q0导通，电容放电，在其激励下，级联充放电部分中各单元的雪崩晶体管Qm也依次导通，实现了各级电容串联接通，进行串联放电，从而输出高功率。

本发明在上述多级Mark电路基础上，增加了多位用于开关控制的雪崩晶体管，简称为可控晶体管，在图3中以上方虚线框标识，以区别下方虚线框中的原级联电路中的各个雪崩晶体管。各个可控晶体管均可独立控制开或关，便于实时可控，以对输出功率进行调节。电路中各个可控晶体管不局限于NPN型。如图3所示，在级联充放电部分中每个单元都增加了一个可控晶体管QCm，其中m＝1、2、3……n。在本实施例中，各个可控晶体管例如为同型号的雪崩晶体管，每个可控晶体管基极均由不同的信号控制，分别命名为P1,P2,P3,P4…等。每个可控晶体管的基极都是接控制信号，可替换的，控制信号也可以为光信号，或者由硬件开关进行控制。可控晶体管QCm的发射极和集电极分别接在当前单元中雪崩晶体管Qm的基极和紧邻下一个单元中的雪崩晶体管Qm+1的集电极。

在另外的实施例中，各个雪崩晶体管也可以不局限于同型号的雪崩晶体管。若整个电路中使用的雪崩电源(VCC)只有一个，则为了达到整条链路中的雪崩晶体管都能够同时雪崩，最好使用同型号的雪崩晶体管。但也可以用不同型号的雪崩晶体管，不过需要是雪崩临界点等参数相同或近似的雪崩晶体管。可替换地，也可以用若干个雪崩临界点偏低晶体管的进行串联组合，使其组合后的雪崩临界点与其它单个或组合的雪崩临界点相同或相近。当然，也可以选择用多个电源等。不管采用上述何种方法，其最终的目标是确保所有的雪崩晶体管在信号来临后能够及时雪崩。

如图3所示，图中级联充放电部分示例的4个单元中，第一个单元还包括了一个可控晶体管QC1，可控晶体管QC1的基极受到控制信号P1的控制，其发射极和集电极分别接在当前单元雪崩晶体管Q1的基极和紧邻下一个单元，即第二个单元中雪崩晶体管Q2的集电极。第二个单元包括一个可控晶体管QC2，可控晶体管QC2的基极受到控制信号P2的控制，其发射极和集电极分别接在当前第二单元雪崩晶体管Q2的基极和紧邻下一个单元，即第三个单元中雪崩晶体管Q3的集电极。依此类推，直至级联充放电中倒数第二个单元的可控晶体管QCn-1的集电极连接到最后一个单元的可控晶体管Qn的集电极上。在整个方案中，控制链路为QC1-QCn，既可以选择使用软件控制，也可以选择通过硬件控制。当使用软件控制时，可将软件的控制信号连接到QC1-QCn中任意雪崩晶体管的基级。如控制信号Pm(m＝1、2、3…n)为高电平时，被连接的NPN型(高电平控制NPN型，低电平控制PNP型)雪崩晶体管QCm受外部信号控制下，在链路发生雪崩时使当前雪崩晶体管Qm不发生雪崩。当使用硬件控制时，可以将QC1-QCn的基级通过开关按钮分别与外部高低电平连接。根据需要也可以通过手工切换相应位置QCm的基级电平状态，从而控制相应雪崩晶体管Qm不发生雪崩。

实际上，脉冲信号P0为整个级联电路的触发级触发信号。当主路雪崩晶体管Q0、Qm全部发生雪崩所产生的输出瞬间最高功率为最高的输出功率，假设该最高输出功率为W。整个电路最终释放出来的脉冲电压强度跟放电电容组合中电容的数量成近似的正比关系。本发明中加入可控晶体管目的就是为了能够软件改变放电电容组合中放电电容的数量。当需要调节输出瞬间电压、瞬间功率时，通过给P1、P2、P3、P4…等信号即可实现。优选地，P1、P2、P3、P4…等信号与P0信号相同即可。例如，在希望将输出功率调低一些的需求当中，考虑在放电电容组合中去掉电容C1，因而可以通过使雪崩晶体管Q1和Q2不导通，而其他雪崩晶体管Qm正常雪崩来实现。此时，可使P系列控制信号中的P0和P1同时输出触发脉冲，而其它P系列的触发信号不输入到可控晶体管的基极。P1触发信号接入到可控晶体管QC1的基极可使得可控晶体管QC1导通，因此，雪崩晶体管Q1截止，电容C1不放电，并且雪崩晶体管Q2也不雪崩。而由于可控晶体管QC1的导通，仍然可使得C2处于放电电容组合当中，并且不影响雪崩晶体管Q3的导通。因此，P0和P1同时输出触发脉冲可以使得放电组合电容中去除掉电容C1。在上述使用方法中，也可以使得作为开关信号的P1先P0一个脉冲发生。

以此类推，如果继续输出P3触发信号，则会使得可控晶体管QC3导通，同时雪崩晶体管Q3和Q4截止，因而电容C3也不会被接入放电电路中，而其它电容放电不会受到影响。实际上，P系列触发信号中，单独输入Pm信号，则会有该单元的电容Cm被从放电电容组合中去除。根据图3所示电路也不难判断，P0、P1、P3…同时触发，将在放电电容组合中去除C1和C3，P0、P2、P4…同时触发则会在放电电容组合中去除C2和C4，如此可以免去两个或多个主路雪崩晶体管发生雪崩，从而避免相应的充电电容加入串联放电电容组合中。

但是需要注意的是，由于电路结构原因，触发信号的选择除P0外则需要间隔发送。如相邻触发信号要在同一时刻被选中触发，那么后面单元对应可控晶体管的那路信号没有起到剔除电容的作用。例如，触发信号如果选择P0、P1、P3…,或者P0、P2、P4…，或者是P0、P1、P4…等，都能够剔除Pm信号相对应单元的电容Cm。但如果不是间隔发送，每两个相邻信号同时发送的效果则会等同于一个前端信号发送。例如触发信号选择P0、P1、P2等同于选择P0、P1。再例如，触发信号选择P0、P2、P3等同于选择P0、P2。上述连续的Pm信号中后面的触发信号之所以不起作用，是因为前面的触发信号的接入已经使得后面触发信号对应单元的电容处于连通的状态。进一步如果连续输入更多Pm触发信号，例如触发信号选择P0、P1、P2、P3则等同于选择P0、P1、P3，这是因为P1和P2相邻，P2未起到作用。虽然P2和P3又相邻，但是由于P2未起到作用，所以并不影响P3有效。

如上述对P系列触发信号进行控制，本领域技术人员可以控制调节输出功率。假设所有的充点电电容的容值都相等，那么与P0同时触发了x个有效信号的话，就相当于输出瞬间最高功率为W·(k-x)/k，公式中k＝n+1为所有充电电容的数量。n表示级联充放电部分的单元数，k即为考虑了所有充电电容包括电容C0和Cm的总数。由于上述两个连续Pm触发信号将导致第二个触发信号失效，因此有效的Pm信号的个数最多为(n-1)/2。

当触发信号P0来临之前，所有的储能电容均可以同时处在充电状态。仅当P0加入，其它Pm(m＝0,1,2,3,4,…泛指可控晶体管基极触发信号)信号不加入时，电路功能同图2的功能，仅仅是一个多级Mark级联电路。此时，Q1、Q2、Q3、Q4、…等雪崩晶体管会依次雪崩击穿，此时放电电容组合为：C0+C1+C2+C3+C4+C5+…,放电电容的数量最多，输出瞬间电压最高，输出瞬间功率也最高。总的输出瞬间功率的数值因DC及雪崩晶体管的级数和雪崩晶体管的参数而异。仅当触发信号P0和P1加入时，首先雪崩击穿的是Q0和QC1。然后是Q3,Q4,Q5…击穿。QC1的雪崩击穿导致Q1的集电极和发射极间的电压差不够雪崩条件，从而间接的致使C1无法通过Q1串联进放电电容组合。此时放电电容组合为：C0+C2+C3+C4+…,缺C1，因此放电通路如图4的粗实线所示，此时输出的瞬间功率是W·(k-1)/k，即x＝1。

仅当P0+P1+P2+P3加入时，首先雪崩击穿的是Q0、QC1、QC2、QC3。然后是Q5、Q6等…击穿。QC1的雪崩击穿导致Q1的集电极和发射极间的电压差不够雪崩条件，从而间接的致使C1无法通过Q1串联进放电电容组合。因P2此时对电路充放电无影响，C2正常参与充放电。同理，C3无法串联进放电电容组合中。此时放电电容组合为：C0+C2+C4+…,缺C1，C3。此时输出的瞬间功率是W·(k-2)/k，即x＝2。

参照上述控制方法，可以随意组合放电电容的数量。可组合的种类也随级联的数量不同而不同，级联数越多可组合方式也越多，可调节输出的点也越多。

基于本发明应用于相机选通成像前端激光驱动，已经能够实现3ns(纳秒)下降沿的高压脉冲，同时幅度可调。说明书附图5和6分别是在50欧姆负载下，6级雪崩和4级雪崩的测试图片。从图5中可以看出6级雪崩时最大脉冲幅值为272V，负载50欧姆，可以得出瞬间输出最高功率可达1479瓦。图6是在图5基础上关断两级雪崩，中可以看出4级雪崩时最大脉冲幅值为234V，负载50欧姆，可以得出瞬间输出最高功率可达1095瓦。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种脉冲输出源控制电路，所述电路包括触发部分、级联充放电部分和负载部分，其特征在于，

所述级联充放电部分包括多个依次级联的单元，每个上述单元都包括一个雪崩晶体管、一个可控晶体管、限流电阻和充电电容；其中直流电源经过限流电阻加到所述雪崩晶体管的集电极，当所述雪崩晶体管处于截止状态时，所述直流电源能够经过限流电阻为所述充电电容充电；所述雪崩晶体管的发射极接地；每个上述单元中的雪崩晶体管的基极连接与当前所述单元紧邻的上一个单元或者与当前所述单元紧邻的所述触发部分中的充电电容；

每个上述单元中的所述可控晶体管的基极用于接收控制信号，所述可控晶体管的发射极连接当前单元中雪崩晶体管的基极，所述可控晶体管的集电极连接与当前所述单元紧邻的下一个单元的雪崩晶体管的集电极。

2.根据权利要求1所述的脉冲输出源控制电路，其特征在于，所述可控晶体管为NPN型。

3.根据权利要求1所述的脉冲输出源控制电路，其特征在于，所述可控晶体管与所述雪崩晶体管为同型号的晶体管或符合相同雪崩条件的晶体管。

4.根据权利要求1所述的脉冲输出源控制电路，其特征在于，所述可控晶体管的触发方式为软件触发或者硬件触发。

5.一种使用权利要求1-4任一项所述脉冲输出源控制电路的脉冲输出源控制方法，其特征在于，

当所述触发部分没有接收到触发信号(P0)时，所述直流电源为所述充电电容充电；

当所述触发部分接收到所述触发信号(P0)时，包括了多个所述充电电容的电容组开始放电以实现功率输出；

向一个、两个或者多个所述单元中的所述可控晶体管的基极提供触发信号以将该可控晶体管所在单元中的充电电容排除在所述电容组之外，从而实现输出功率的调节。

6.根据权利要求5所述的脉冲输出源控制方法，其特征在于，向所述可控晶体管的基极提供触发信号具体为向相互间隔的两个或多个单元的可控晶体管的基极提供触发信号。

7.根据权利要求5所述的脉冲输出源控制方法，其特征在于，在向所述触发部分提供触发信号之前向所述可控晶体管的基极提供触发信号。

8.根据权利要求5所述的脉冲输出源控制方法，其特征在于，向所述触发部分提供的触发信号与向所述可控晶体管的基极提供的触发信号相同。

9.一种脉冲输出源系统，其特征在于，所述系统的控制电路包括权利要求1-4任一项所述的脉冲输出源控制电路。

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