几种脉冲恒流源实现形式的研究

荆云波　侯云海　刘东东

摘 要：研究了雪崩管放大电路、储能网络配合开关电路、恒流源电路配合高速开关3种用于半导体激光器电源的脉冲恒流源的实现形式，并分析其性能特点。高速放大电路可以获取纳秒级脉宽的脉冲电流；储能网络配合开关电路能获得比较高幅度的脉冲电流；恒流源电路配合高速开关相对于前两种实现形式，脉冲电流具有更小的纹波，更加稳定。脉冲恒流源作为半导体激光电源的核心部分，对其性能有很大的影响，具有实际的研究价值。

关键词：半导体激光器；恒流源；脉冲电流；窄脉宽

中图分类号：TN248.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.009

相对于连续驱动的形式，脉冲驱动使半导体激光器具有更高的光功率，并且激光器脉冲输出结发热效应很小，极大地降低了散热的设计压力。其独特的优势使其在各个领域得到了广泛的应用。作为半导体激光器驱动电源的核心部分，脉冲恒流源提供高质量的脉冲电流，进而极大地提升了半导体激光器的性能。

脉冲恒流源有多种实现形式，可通过线性放大、储能网络配合高速开关管等方式实现。本文将列举几种脉冲恒流源的设计方案，着重分析其脉冲电流产生形式，并阐述其对半导体激光器性能的影响。

1 脉冲恒流源的实现

1.1 雪崩管放大电路实现脉冲恒流源

该形式是通过对一定频率的方波进行整形而获得所需占空比的脉冲，并用该脉冲触发下一级的放大电路，从而产生激光二极管所需的脉冲电流。

信号发生器产生的脉冲信号可由74LS123构成的单稳态谐振荡电路整形，以增强其驱动能力。

脉冲放大电路是由雪崩电路和Marx Bank电路组成的。它采用雪崩晶体管构成前级电路，用于加强触发脉冲的驱动能力。其电路如图1所示。

运用这种形式，重复频率和脉宽指标可以达到比较高的要求。但是，鉴于雪崩晶体管的特性，单个晶体管难以产生较大的脉冲电流，多个并联使用需要解决数个晶体管同步触发的问题，以及需要成熟的均流技术。但是，与电压型控制器件相比，雪崩晶体管的控制难度更高。

1.2 储能网络实现脉冲恒流源

采用储能网络时，可以通过高速开关电路的通断实现脉冲输出。74LS123组成的单稳态触发器可用于整形555定时器在多谐振荡模式下产生的周期性方波，从而获取所需脉宽和频率的触发脉冲。

储能电路主要用于形成脉冲电流，电路设计需保证其在开关器件关闭的时间内完成充能。其电路原理如图3所示。

图3中，L1、L2为寄生电感，R1为充电电阻，RL为放电电阻，C1、C2为储能电容。

储能电容完全充电的前提是：T≥T1.

为了能够切出尽量完整的矩形脉冲，则要求脉冲宽度必须小于放电时间。这种制约关系是设计电路是需要重点考虑的。

当充电限流电阻R1=l，放电限流电阻RL=1，储能电容为C时，充电回路的时间关系可以近似地由经验公式计算出来。

由式（8）可知，在放电电阻和电容一定的情况下，脉冲电流将由初始电压U0和脉宽决定。

在纳秒级脉宽的前提下，这种形式的脉冲恒流源可获得高达数十安甚至更高的脉冲电流。其重复频率由高速开关的触发脉冲频率决定，同时，电路实现形式相对简单。但是，鉴于其储能电路的放电特性，难以切割出低纹波、高稳定性的脉冲电流。虽然在脉冲幅度上能有所提高，当激光器负载对脉冲电流纹波提出比较高的要求时，很容易对负载造成不可逆的损毁。

1.3 恒流源配合高速开关实现脉冲恒流源

恒流源通过开关电路的高速通断产生脉冲电流。恒流源的核心电路如图4所示。

将参考电压转化为电流放大器件的电流信号，并将该信号通过放大器进一步放大，将取样电阻上的电压反馈给输出端用于稳流，以提高系统的稳定性。

功率三极管的冗余并联不仅能获取大电流，也有均流的性能。为了增强恒流源的驱动能力，采用复合达林顿结构进一步提高输出电流，同时，也进一步提高了反馈深度和系统运行的稳定性。

当α和β确定后，管T1的基极电流与输出电流I0成线性关系。至此，控制电压即可调节输出电流。

采用这种形式可以获得高稳定性的脉冲输出电流，并且脉冲电流从零可调，其触发脉冲的频率无限制，理论上可以做的很大。其脉冲电流与其他方式相比也更加稳定，可以极大地降低电流纹波的影响。但是，其脉冲的输出幅度完全取决于恒流源的性能。要想获得更高的脉冲输出，就需要性能更好、输出更高的恒流源。恒流源电路相对复杂，性能与其他形式的脉冲恒流源电路相比也更加困难。

2 结束语

脉冲恒流源的高性能极大地提高了激光器的激光质量。本文分析了3种脉冲恒流源的实现形式，并对比了其性能。虽然雪崩管放大电路可以产生纳秒级脉宽的脉冲电流，却难以获得更高的脉冲幅度。储能网络配合开关电路在脉冲电流的稳定性方面有所欠缺。相比之下，恒流源不仅能获得高重复率、短脉宽的驱动脉冲，还具有很低的电流纹波。虽然它的电路结构更加复杂，却能更好地驱动半导体激光器。

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〔编辑：白洁〕