适用于激光引信的脉冲半导体激光电源研制

王 强,李 智

（四川大学电子信息学院，四川成都，610064）

0 引言

激光引信是随着激光技术的快速发展而出现一种新型近炸引信，由于激光引信具有引信脉冲窄、定距精度高、引战配合效率高、引爆时间准、命中率高、抗综合干扰能力强等特点，已备受各个国家重视并得到研制。在实际的激光引信装置中，系统带宽、定距精度、作用距离、抗干扰能力等指标的优越性能都取决于半导体激光器发射的光脉冲质量。质量高的激光脉冲具有上升沿时间短、峰值功率高、脉宽窄、重复率高等特点。激光脉冲质量的主要影响因素是驱动电源的性能。目前，通用的脉冲半导体驱动电源采用高压供电，功耗大，脉冲上升沿平缓，脉宽时间长等因素，制约着激光引信的实际应用。

针对上述特点，本文设计出适用于激光引信的窄脉冲半导体激光器驱动电源装置，该驱动电源低压供电，功耗小，脉冲电流上升沿时间可达到纳秒级，脉宽窄，峰值功率高。

1 半导体激光电源

适用于激光引信的新型窄脉冲半导体激光驱动电源，结构上包括驱动电路，开关电路和反馈电路。其中驱动电路为后级开关电路提供一个上升沿陡峭，脉宽窄，峰值电流大的控制信号。开关电路采用高速金属氧化物半导体场效应管作为开关，为激光器提供一个重复率高、上前沿快、脉宽窄、脉冲峰值电流大的脉冲信号，而且输出的激光脉冲波形平滑。反馈电路主要由采样电路和差分放大电路组成，为输出脉冲电流的稳定提供保障。

1.1 驱动电路

驱动电路对原始的控制输入信号进行整形、提高驱动能力、提升驱动电压，为后级开关电路提供一个上升沿快，脉宽窄，峰值电流大的控制信号，该控制信号性能指标与最终输出脉冲电流指标息息相关。驱动电路由OCL电路和MOS管驱动电路组成。OCL电路选择β值小、基极输入电流大、响应时间短的功率晶体三极管NECB772和NECB882。MOS管专业驱动芯片选择著名半导体公司IXYS公司的芯片IXDD415，该芯片最大驱动电流=15A，输入电压范围大，在8-30V均可，信号上升下降时间小于3ns，最小的脉宽6ns。

1.2 开关电路

开关电路包括加速导通和快速关断电路、MOSFET保护电路以及MOSFET为核心的驱动电路组成，是整个电路设计的核心。在加速导通和快速关断电路中，如图1所示，电路前级输入高电平信号时，驱动电流经过C1、二极管D1和Rg给MOS管等效输入电容Ciss充电，MOSFET开始导通，其中C1是加速电容，D1是快速导通二极管，期间三极管Q1截止；前级输入低电平时，Q1导通，栅极放电电流并不回流到前级驱动模块，而是通过Q1的发射极、集电极和R2形成放电回路。由于放电过程中Vgs=0.7V时Q1就截止，栅极电荷不完全释放，故加R3放走剩余电荷，消除电荷积累。此电路中Rg除了控制栅极电流大小，还能消除振荡。在MOSFET的高频等效电路中，漏极存在寄生电感Ls，Ls串联在MOSFET栅极充放电电路中，与Ciss构成高Q值得振荡电路，易引起MOSFET在一个脉宽时间重复导通和截止。解决办法就是在栅极串入一个合适的电阻，降低回路Q值，合适的栅极串联电阻取值：

式中Rdrv是MOSFET前级驱动芯片输入电阻，Rgl是MOSFET本身的寄生电阻，Rg可以让栅极回路处于临界阻尼状态。此外在MOSFET管的漏极和源极之间并联了保护电路，保护电路由C3、D2和R6组成的，用于吸收MOSFET关断瞬间在漏极上产生的反峰电压。

MOSFET为核心的驱动电路中，当MOSFET管Q2关闭的时候，外部电压V1通过限流电阻R5给储能电容C2充电；当MOSFET管Q2导通的时候，C2上的电压通过LD激光器和采样电阻R4放电，完成一次激光脉冲的产生。其中场管Q2选用DE275-101N30，通过改变电路中R5、V1、C2的值，可以改变电流脉冲的上升沿Tr，峰值电流Ip；且任意改变任一参数，脉冲的峰值电流和上升前沿都会改变。

图1 脉冲激光器驱动电路Fig.1 Drive circuit of pulse laser diode

1.3 反馈电路

反馈电路是由采样电路和差分放大电路组成。采样电路中的电阻是1W、10m欧姆精密电阻。差分放大电路中的运放是高速运放，这里选用的是AD811，其摆率SR值高达2500V/μs。工作原理如下：运放1通过采集采样电阻两端的电压进行差分放大，电压输出送入运放2的输入端，与原始控制信号进行差分放大输出，输出的信号经过整形再驱动MOSFET，这样形成一个闭合的负反馈回路。反馈电路保证脉冲电流输出稳定，保证激光器的正常工作。

2 实验与分析

根据要求设计出电源，实验测试使用德国Osram公司生产的半导体激光器，该激光器是专门应用于激光引信的激光器，其型号为SPL PL90_3。

FPGA产生频率为5KHz、脉宽是20ns的控制信号，电路中电容C2是1µF，用光电探测器检测激光器产生的光脉冲。图2是充电电压为5V时候产生的光脉冲，从图中可以看到光脉冲的上升沿2.7ns，光脉冲的宽度为5.8ns。实际在电路中测得经过采样电阻上的电流是5.2A，示波器上可以看出储能电容上的电压变化为25mV，流过激光器的电流脉冲宽度：，与光电探测器测量值基本相符。用光功率计测量光脉冲的平均功率是0.48mW，所以光脉冲的峰值功率为。图3是充电电压为24V时激光器产生的光脉冲波形，光脉冲的上升沿为3.4ns，脉冲宽度7.2ns，此时测得的光脉冲的平均功率是1.12mW，得到光脉冲的峰值功率是31.11W。实验结果可知，随着充电电压的增加，脉冲电流的幅值线性增加，光脉冲峰值功率也线性增加，光脉冲宽度5.8ns逐步增加到7.9ns，光脉冲的上升沿基本不变，保持在3ns左右。

图2 充电电压为5V时的光脉冲波形Fig.2 Optical pulse shape when charging voltage is 5V

图3 充电电压为10V时的光脉冲波形Fig.3 Optical pulse shape when charging voltage is 12V

改变控制信号脉冲宽度和重复率，频率改为20KHz，充电电压为24V，储能电容1µF，图4为控制信号脉宽为10ns的光脉冲波形，图5是控制信号脉宽为30ns时的光脉冲波形，从图中可以看出：光脉冲宽度随着控制信号脉冲宽度改变而改变，控制信号脉宽为10ns时光脉冲脉宽只有5.1ns，控制信号脉宽为30ns时光脉冲脉宽则上升到8.6ns。

图4 控制信号脉冲10ns时的光脉冲Fig.4 Optical pulse shape when control signal is 10ns

3 结论

激光引信广泛应用于航空炸弹、火箭、飞航导弹以及反坦克导弹上，是激光技术在引信上的一个发展趋势。本文中设计的脉冲半导体激光器驱动电源产生的光脉冲重复率高达20KHz，在常规供电24V时，峰值功率可达30W，上升沿3.4ns，脉冲宽度7.2ns，完全满足激光近炸引信对激光器驱动模块要求体积小、高重复率、脉冲窄、功率高、能耗低等特点，为提高常规弹药作战效能提供参考。该激光驱动电源也可应用到激光通信、激光探测、激光测距中，具有广泛的应用前景。

图5 控制信号脉冲30ns时的光脉冲Fig.5 Optical pulse shape when control signal is 30ns

[1]李玉清.近20 年来国外导弹引信技术研究与发展概况[J].制导与引信,2002,23(3):1-8.

[2]张翼飞，邓方林，陈卫标.弹道导弹激光引信方案设计[J].红外与激光工程,2004,33(3): 248-252.

[3]胡春生，秦乔石.一种高速大功率脉冲激光电源设计与仿真［J］.激光杂志，2004，25(2)：66-67.

[4]Kilpelä A.Pulsed time-of-flight laser range finder techniques for fast,high precision measurement applications[D].Finland: University of Oulu,2004:33-39.

[5]施敏，伍国珏.半导体器件物理[M].西安：西安交通大学出版社，2008.

[6]Laszlo Balogh.Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Diver Circuits[OL].Texas Instruments Literature No.SLUP169.

[7]刘广文.脉冲半导体激光器供电电源的研制[D].长春:长春理工大学,2002,5-13.

[8]Pressman A I.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2010.