CN205945551U - 一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源，结构包括脉冲触发电路、电容储能电路、高速开关电路等部分，其中高速开关电路采用高速场效应管作为开关元件。本实用新型提供的这种大功率半导体激光器脉冲驱动电源使得在不使用大幅值的电压源时输出脉冲电流幅度在0‑75A范围内连续可调，输出的脉冲电流上升沿时间小于2ns，脉冲宽度小于等于4ns，最大的重复频率为1MHz；其输出的驱动电流对大功率半导体激光器进行驱动时，使被驱动的大功率半导激光器输出脉冲峰值高且连续可调、上升沿快、脉冲宽度窄的激光脉冲。

Description

一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源

技术领域

本实用新型涉及半导体激光技术领域，特别涉及一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源。

背景技术

半导体激光器的体积小、重量轻、寿命较长、易于调制及价格低廉，供电简单、结构紧凑和便于携带、便于维护以及能够高效率的与光纤进行耦合等特点近年来发展一直很迅猛。大功率半导体激光器在工业生产、医疗、军事等方面有很广泛的应用，如激光制导跟踪、激光雷达、激光引信、激光测距、激光通信电源、激光通信、激光陀螺等。而这些系统的工作性能的稳定取决于激光脉冲质量，具体表现在脉冲宽度越窄，信噪比越高；脉冲激光的上升沿时间越短，测量精度越高；峰值电流越高，测量距离的能力就越强。为了使这些系统有更好的工作稳定性，我们需要利用大功率脉冲半导体激光器获得质量很好的光脉冲，而激光脉冲质量的好坏直接取决于大功率半导体激光器脉冲驱动电源的性能。目前国内有一些高校和研究机构在进行半导体激光器驱动电源的研制工作，虽然取得了一定的成果，但是还有待提高。在公开的技术中所得到的大功率半导体激光器脉冲驱动电源输出的脉冲电流峰值幅度、脉冲电流宽度、脉冲电流上升沿时间等方面都有待提高；而且通常为了获得高的脉冲电流峰值，还需要设计大幅值的电压源。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于驱动大功率半导体激光器的脉冲驱动电源，使得在不使用大幅值的电压源时输出脉冲电流幅度在0-75A范围内连续可调，输出的脉冲电流上升沿时间小于2ns，脉冲宽度小于等于4ns，最大的重复频率为1MHz。

本实用新型提供了一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源，包括脉冲触发电路、电容储能电路和高速开关电路；所述的脉冲触发电路，包括555芯片U1，其中U1的GND脚接地；电容C5一端与U1的GND脚连接，另一端同时连接U1的TRIG脚、THRES脚以及可变电阻R4的一端；可变电阻R4的另一端同时连接U1的DISCH脚和电阻R2的一端，电阻R2的另一端同时连接U1的VCC脚、+12V电源V1的正极以及U1的RESET脚；U1的CONT脚通过电容C6与U1的GND脚连接；U1的RESET脚同时连接74123芯片U3的B脚与CLR脚；U3的A脚与U1的输出端OUT脚连接；U3的CEXT脚接地，U3的CEXT脚还和电容C7的一端连接，C7的另一端和U3的REXT/CEXT脚、可变电阻R3的一端连接，可变电阻R3的另一端与U1的VCC脚连接；U3的Q脚作为脉冲触发电路的输出端OUT与高速开关电路的输入端口连接；所述的电容储能电路包括并联在一起的电容C1和C2，该两个并联电容的一端接地GND，另一端同时连接充电电阻R1的一端和限流电阻RL的一端，充电电阻R1的另一端与电压源V1的正极连接，限流电阻RL的另一端接大功率半导体激光器D1的正极；所述高速开关电路包括IXDD409芯片U2，其中U2的IN脚作为输入端口与脉冲触发电路的输出端OUT连接，U2的两个VCC脚及EN脚同时连接电压源V2的正极；U2的两个GND脚相连接并接地，U2的两个OUT端同时与高速场效应管IRFHS8342M1的栅极脚相连接，M1的源极接地，M1的漏极与大功率半导体激光器D1的负极相连接；大功率半导体激光器D1上还反向并联有二极管D2；所述电压源V2的正极还与相互并联的电容C3和电容C4的一端连接，相互并联的电容C3和电容C4的另一端接地。

较佳地，所述脉冲触发电路中的555芯片U1采用LM555。

较佳地，所述电容储能电路中的电压源V1的幅值在0V-30V连续可调，充电电阻R1的电阻值为0.1Ω，电容C1和C2的电容值都为10nf，限流电阻RL的电阻值为0.1Ω。

较佳地，所述电压源V2的幅值为9.3V；电容C3和C4的电容值均为22000nf。

较佳地所述高速场效应管IRFHS8342采用PQFN 2mm×2mm的封装形式，器件的长和宽均为2毫米。

本实用新型的有益效果：1、本实用新型输出电流幅度不小于70安培，输出的脉冲电流上升沿时间小于2ns，脉冲宽度小于等于4ns，最大的重复频率为1MHz。

2、所设计大功率半导体激光器的脉冲驱动电源时所需的直流电压为实验室内0-30V可调的直流电压源，而不需要设计大电压幅值的升压电源。

3、本实用新型同采用高速场效应管的同类脉冲电源相比，这种大功率半导体激光器脉冲驱动电源结构简单、易于实现。

4、本实用新型同采用高速场效应管的同类脉冲驱动电源相比，IRFHS8342采用PQFN 2mm×2mm的封装形式，器件的长和宽都为2毫米，利于大功率半导体激光器的脉冲驱动电源的小型化。

附图说明

图1为本实用新型的脉冲触发电路图；

图2为本实用新型的高速开关与电容储能电路原理图；

图3本实用新型的触发脉冲波形图；

图4大功率半导体激光器脉冲驱动电源输出的脉冲电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

结合图1及图2，本实用新型提供的一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源，包括脉冲触发电路、电容储能电路和高速开关电路；如图1所示为脉冲触发电路图，所述的脉冲触发电路包括555芯片U1，其中U1的GND脚接地；电容C5一端与U1的GND脚连接，另一端同时连接U1的TRIG脚、THRES脚以及可变电阻R4的一端；可变电阻R4的另一端同时连接U1的DISCH脚和电阻R2的一端，电阻R2的另一端同时连接U1的VCC脚、+12V电源V1的正极以及U1的RESET脚；U1的CONT脚通过电容C6与U1的GND脚连接；U1的RESET脚同时连接74123芯片U3的B脚与CLR脚；U3的A脚与U1的输出端OUT脚连接；U3的CEXT脚接地，U3的CEXT脚还和电容C7的一端连接，C7的另一端和U3的REXT/CEXT脚、可变电阻R3的一端连接，可变电阻R3的另一端与U1的VCC脚连接；U3的Q脚作为脉冲触发电路的输出端OUT与高速开关电路的输入端口连接；如图2所示为高速开关与电容储能电路原理图，电容储能电路包括并联在一起的电容C1和C2，该两个并联电容的一端接地GND，另一端同时连接充电电阻R1的一端和限流电阻RL的一端，充电电阻R1的另一端与电压源V1的正极连接，限流电阻RL的另一端接大功率半导体激光器D1的正极；储能电路主要是开关开启的瞬间释放出能量,形成脉冲电流,并且在开关元件关闭的时间内完成重新储能。所述高速开关电路包括IXDD409芯片U2，其中U2的IN脚作为输入端口与脉冲触发电路的输出端OUT连接，U2的两个VCC脚及EN脚同时连接电压源V2的正极；U2的两个GND脚相连接并接地，U2的两个OUT端同时与高速场效应管IRFHS8342M1的栅极脚相连接，M1的源极接地，M1的漏极与大功率半导体激光器D1的负极相连接；大功率半导体激光器D1上还反向并联有二极管D2；所述电压源V2的正极还与相互并联的电容C3和电容C4的一端连接，相互并联的电容C3和电容C4的另一端接地。本实用新型所需驱动电源直流电压为0V-30V可调的直流电压源，而不需要设计大电压幅值的升压电源。其中高速开关电路中采用了高速场效应管IRFHS8342作为开关，而场效应管为电压控制的电流器件，因此调节输入栅极的脉冲幅度即可调节峰值电流；调节栅极脉冲的脉宽和频率即可调节输入大功率半导体激光器脉冲电流的脉宽和频率；其脉冲触发电路可输出纳秒量级脉冲；二极管D2的具体型号为1N4007，它能够防止反向电流输入激光器以免激光器造成损坏。本实用新型的高速开关中采用高速场效应管作为开关，而场效应管为电压控制的电流器件，因此调节输入栅极的脉冲幅度即可调节峰值电流；调节栅极脉冲的脉宽和频率即可调节输入大功率半导体激光器脉冲电流的脉宽和频率。

所述高速开关电路中的高速场效应管IRFHS8342作为开关元件，高速场效应管IRFHS8342的驱动器为IXDD409。高速开关电路中并联在高速场效应管的驱动器IXDD409输出管脚和信号地之间的电容C3和C4能辅助脉冲拔高，能提升其转换速度。

进一步地，所述脉冲触发电路中的555芯片U1采用LM555。

进一步地，所述电容储能电路中的电压源V1的幅值在0V-30V连续可调，充电电阻R1的电阻值为0.1Ω，电容C1和C2的电容值都为10nf，限流电阻RL的电阻值为0.1Ω。

进一步地，所述电压源V2的幅值为9.3V；电容C3和C4的电容值均为22000nf。

进一步地，所述高速场效应管IRFHS8342采用PQFN 2mm×2mm的封装形式，器件的长和宽均为2毫米，利于大功率半导体激光器的脉冲驱动电源的小型化。

本实用新型的工作原理是：由555定时器设置成的多谐振荡器和74123组成的单稳态触发器相结合组成脉冲触发电路，脉冲触发电路产生周期性纳秒级的方波脉冲，方波脉冲的宽度就是最后脉冲电流输出的宽，周期性纳秒级的方波脉冲信号经过高速场效应管的驱动器IXDD409进行放大，放大之后的方波脉冲信号具有驱动高速场效应管IRFHS8342的能力，储能电路负责储存能量以便在高速开关电路开通的一瞬间产生大幅度的脉冲电流来驱动负载器件，其中高速开关电路开通的时间决定了产生的脉冲电流的宽度。其中脉冲触发电路中采用555芯片和单稳态电路结合的方式产生脉宽为纳秒级的触发脉冲，把555定时器设置成多谐振荡电路,使其产生周期性方波,但是由于多谐振荡电路所产生的方波的脉冲宽度和脉冲上升沿时间都达不到设计要求的时间，所以电路还要利用74123组成的单稳态触发器对多谐振荡电路产生的周期性方波进行整形。

如图3所示为触发脉冲波形图，脉冲触发电路会产生不同频率的方波脉冲，而且输出方波脉冲的宽度为纳秒量级，此触发脉冲的脉冲宽度为4ns，输出方波脉冲的幅度为5V左右。

如图4所示为大功率半导体激光器脉冲驱动电源输出的脉冲电流波形图，脉冲电流幅值为75A，脉冲电流上升沿时间为2ns，脉冲宽度等于4ns，重复频率为1MHz。

综上所述，本实用新型的大功率半导体激光器脉冲驱动电源，与现在的技术相比，输出的驱动电流对大功率半导体激光器进行驱动时，使被驱动的大功率半导激光器输出脉冲峰值高且连续可调、上升沿快、脉冲宽度窄。具有脉冲电流峰值高、脉冲电流最大重复频率高、脉冲电流最窄脉冲宽度窄；结构简单，易于实现、利于小型化等优点。具体优点包括：1、本实用新型输出电流幅度不小于70安培，输出的脉冲电流上升沿时间小于2ns，脉冲宽度小于等于4ns，最大的重复频率为1MHz。2、所设计大功率半导体激光器的脉冲驱动电源时所需的直流电压为实验室内0-30V可调的直流电压源，而不需要设计大电压幅值的升压电源。3、本实用新型同采用高速场效应管的同类脉冲电源相比，这种大功率半导体激光器脉冲驱动电源结构简单、易于实现。4、本实用新型同采用高速场效应管的同类脉冲驱动电源相比，IRFHS8342采用PQFN 2mm×2mm的封装形式，器件的长和宽都为2毫米，利于大功率半导体激光器的脉冲驱动电源的小型化。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源，其特征在于，包括脉冲触发电路、电容储能电路和高速开关电路；

所述的脉冲触发电路，包括555芯片U1，其中U1的GND脚接地；电容C5一端与U1的GND脚连接，另一端同时连接U1的TRIG脚、THRES脚以及可变电阻R4的一端；可变电阻R4的另一端同时连接U1的DISCH脚和电阻R2的一端，电阻R2的另一端同时连接U1的VCC脚、+12V电源V1的正极以及U1的RESET脚；U1的CONT脚通过电容C6与U1的GND脚连接；U1的RESET脚同时连接74123芯片U3的B脚与CLR脚；U3的A脚与U1的输出端OUT脚连接；U3的CEXT脚接地，U3的CEXT脚还和电容C7的一端连接，C7的另一端和U3的REXT/CEXT脚、可变电阻R3的一端连接，可变电阻R3的另一端与U1的VCC脚连接；U3的Q脚作为脉冲触发电路的输出端OUT与高速开关电路的输入端口连接；

所述的电容储能电路包括并联在一起的电容C1和C2，该两个并联电容的一端接地GND，另一端同时连接充电电阻R1的一端和限流电阻RL的一端，充电电阻R1的另一端与电压源V1的正极连接，限流电阻RL的另一端接大功率半导体激光器D1的正极；

所述高速开关电路包括IXDD409芯片U2，其中U2的IN脚作为输入端口与脉冲触发电路的输出端OUT连接，U2的两个VCC脚及EN脚同时连接电压源V2的正极；U2的两个GND脚相连接并接地，U2的两个OUT端同时与高速场效应管IRFHS8342M1的栅极脚相连接，M1的源极接地，M1的漏极与大功率半导体激光器D1的负极相连接；大功率半导体激光器D1上还反向并联有二极管D2；所述电压源V2的正极还与相互并联的电容C3和电容C4的一端连接，相互并联的电容C3和电容C4的另一端接地。

2.如权利要求1所述的大功率半导体激光器脉冲驱动电源，其特征在于，所述脉冲触发电路中的555芯片U1采用LM555。

3.如权利要求1所述的大功率半导体激光器脉冲驱动电源，其特征在于，所述电容储能电路中的电压源V1的幅值在0V-30V连续可调，充电电阻R1的电阻值为0.1Ω，电容C1和C2的电容值都为10nf，限流电阻RL的电阻值为0.1Ω。

4.如权利要求1所述的大功率半导体激光器脉冲驱动电源，其特征在于，所述电压源V2的幅值为9.3V；电容C3和C4的电容值均为22000nf。

5.如权利要求1所述的大功率半导体激光器脉冲驱动电源，其特征在于，所述高速场效应管IRFHS8342采用PQFN 2mm×2mm的封装形式，器件的长和宽均为2毫米。