储能型高功率脉冲激光器驱动技术研究

王锴磊 吴春婵 王晓光 刘 柯 鲍晨兴 郭天茂 朱 浩

（北京航天计量测试技术研究所，北京100076）

1 引言

由于激光所具有的良好的单色性、准直性和相干性等特点，因此，在目标探测领域应用广泛。例如脉冲激光雷达、三维形貌测量和大地测绘等目标探测领域的应用。随着半导体激光器制造工艺的成熟，半导体激光器的输出功率不断提高，采用905nm 的二级安全激光促使了激光探测技术的发展。在大部分的目标探测领域中，激光器工作在脉冲驱动模式，目标探测的性能很大程度上取决于脉冲激光的发射质量，脉冲发射的上升和下降时间决定测量精度，脉冲的峰值功率决定测量范围。所以，设计高质量、大功率的脉冲激光器驱动电路成为必须。

在实际的电路设计中，为了实现大功率需要加大电源的功率，这就增加了很大的成本，电路结构也相应的增大。在进行激光雷达的研究中，为了实现结构小、探测精度高、探测范围大的多线激光雷达，我们结合储能元件的特性，提出并设计了一种基于储能元件储能、转换和释放原理的脉冲驱动电路，解决了低电压环境下实现高能激光脉冲的输出，经过对储能元件的分析、电路原理和电路参数的计算，完成了电路的设计，并采用Multisim 系统进行了仿真和实际测试，达到了预期的效果。

2 储能元件

所谓储能电路，就是利用储能元件实现能量的瞬间转换，可以实现特定的电路功能，尤其在高速模拟电路的设计中经常使用。能够实现瞬间的高电压和高电流。实际电路中，使用最多的储能元件就是感性元件和容性元件，最为典型的就是我们电路中常用的电感和电容。在交流电路中，储能元件的平均功率为零，即无功率消耗、无能量的消耗，只有能量的积累、转换和输出。含有储能元件的电路，从一种稳态变换到另一种稳态必须要一段时间，这个变换过程就是电路的过渡过程，产生过渡过程的原因是能量不能跃变。电容存储的是电荷，电感存储的是磁通引起的材料极化能。

2.1 电容储能分析

两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。撤去电源，电容上的电荷依然能够长久聚集，故能储能，如图1所示。

图1 电容储能特性Fig.1 Capacitor energy storage characteristics

电源

U

以电流

I

给电容充电，根据电容的基础知识我们可知：

式中：

I

——充电电流；

q

——电荷；

C

——电容值；

t

——充电时间。

公式（1）表明，某一时刻充电电流与电容两端电压的变化率有关系，实际电路中，电流为有限值，则电容两端的电压不能跃变，为时间的连续函数，用公式（2）表示：

式中：

u

（

t

）——电压对时间的函数；

u

（

t

）——

t

时刻的电压值，也就是电压初始值；

ξ

——电容元件的VCR 参数。

公式（2）表明，某一时刻电容两端的电压与该时刻之前的所有电流值有关，还与其初始电压有关，因此，可以确定电容的“记忆功能”也就是储能功能。可以在一段时间内吸收外部供给的能量并转化为电场储存起来，在另一段时间又把能量释放给回电路。

2.2 电感储能分析

把金属导线绕在一个骨架上就构成了一个实际的电感线圈，具备了电感的基本功能，当电流通过线圈时产生磁场，形成一种抵抗电流变化储存磁能的元件。其基本特性就是当电流接通时它试图去阻止电流，如果电流突然断开，它又试图维持电流不变，如图2所示。

图2 电感储能特性Fig.2 Inductive energy storage characteristics

根据电感特性可知：

式中：

u

（

t

）——电压对时间的函数；

ψ

——磁通量；

L

——电感值；

I

（

t

）——

t

时间内流过电感的电流值。

由公式（3）可知，电感两端电压取决于电流的变化率，实际电路中，电感电压为有限值，则电流不能跃变，是时间的连续函数。用公式（4）表示：

式中：

I

（

t

）——

t

时刻流过电感的电流值。

公式（4）表明，某一时刻电感的电流值与其初始电流值和之前所有时刻的电压直有关，故电感具有电压记忆功能，能够储存磁能。可以在一段时间内吸收外部供给的能量并转化为磁能储存起来，在另一段时间内在释放给回路。

3 高功率脉冲驱动电路设计

3.1 电路设计指标

本文所介绍的激光雷达测距系统中，采用了非合作目标的方式进行距离测量。在此种方式下，激光脉冲在传播过程中，功率会受到很多因素的影响，从而导致衰减十分严重。图3 为激光雷达目标探测示意图。本文所设计的激光雷达测距系统所测量的距离最大值为200m，属于短距离测距，因此可以忽略激光在空气中传播的衰减。

图3 激光雷达目标探测示意图Fig.3 Schematic diagram of lidar target detection

一般情况下，接收激光脉冲的功率表达式，可以通过光学理论进行推导，用公式（5）表示：

式中：

P

——接激光脉冲功率；

T

——接收光学系统的激光透过率；

I

——接收到激光的强度；

A

——激光接收区域；

d

——测量距离；

P

——激光发射二极管的发射脉冲功率；

T

——发射光学系统的激光透过率；

T

——滤波透镜的激光通过率；

ρ

——被测目标表面的反射率。按照系统的设计，

T

和

T

取值0.88，目标物表面最小反射率取0.1，

T

取值0.8，

A

取半径为12mm 的圆的面积，则

本系统设计测量距离为200m，因此，可知

P

＝2

．

23×10

P

。本设计采用APD 探测器，其最小敏感功率为9.2nW，因此，激光发射功率

P

＝41.25W。根据所选用的中电四十四所的激光器905nm-50W手册可知激光器达到41.25W 输出功率、测量频率为200kHz 时，其瞬时电流需要30A，脉冲宽度25nm。基于此参数设计激光器的驱动电路。

3.2 驱动电路设计

由于实现纳秒级的驱动脉冲，因此，不能采用开关直接控制的方式，因为开关电路的延迟将会导致脉冲的失真。为了在低电压条件下实现高功率的激光二极管的驱动，激光二极管的驱动电路采用电感和电容储能转换的方式设计，通过外部开关电路控制系统开关，实现高频的电感、电容的储能、转换和释放，由此，实现窄脉宽高功率高重复频率的驱动电流。其电路原理如图4所示。

图4 储能驱动电路原理Fig.4 Principle of energy storage drive circuit

当开关断开时，充电电路为储能电路储存能量，当开关闭合时，储能电路左端电位拉低，瞬间放电，形成电流回路，驱动LD 发出脉冲激光，图4 中二极管为续流通道，电阻用于测试电流采样。根据图4 的原理，我们设计了图5所示的激光二极管脉冲驱动电路。

在图5 的电路中，开关的控制采用的是N 沟道的MOSFET，MOSFET 的驱动电路是一个NPN 型晶体管，充电电路是由防倒流二极管

D

、限流电阻和储能电感组成。储能电路由储能电容

C

和续流二极管组成，采样电阻

R

用于测试时的电流采样。

图5 储能驱动电路原理图Fig.5 Schematic diagram of energy storage drive circuit

结合电路原理分析该电路的工作过程：

①当控制信号SIG_IN 为高电平时，MOSFET 导通，外部电源

V

通过

D

、

L

、

Q

构成电流回路，

L

中储存能量，其储存能量大小可以表示为：

式中：

W

——电感的储存能量；

L

——电感的感抗；

V

——系统供电电压；

T

——驱动信号周期；

R

——回路总电阻。②当控制信号SIG_IN 为低电平时，MOSFET 截止，由于电感中的电流不能突变，因此，

L

通过

C

和

D

释放能量，为

C

充电，能量转换储存在

C

中，

C

中的能量大小可以表示为：

式中：

W

——电容的储存能量；

C

——储能电容；

U

——充电电压。③当控制信号SIG_IN 再次变为高电平时，MOSFET 导通，除了①所述的工作过程外，由于电容

C

左侧电压被拉为零电平，导致

C

通过

Q

、地、

R

、

D

快速放电，形成瞬间高功率脉冲电流，驱动激光二极管

D

点亮。按照3.1 所述的电路指标，电流为30A，

R

和

Q

的内阻为0.1Ω，则压降为3V，激光器驱动电压压降为12V，则电容

C

的两端电压为15V。电容两端电压：

根据设计

t

＝25ns，

I

＝30A，

U

＝15V，可知：

C

＝50nF。按照式（7）可知：

由于电容

C

的能量来自电感

L

，所以可知：

按照公式（7）即可计算电感

L

的感抗为45μH。

4 电路仿真

在众多的EDA 仿真软件中，Multisim 软件界面友好、功能强大、易学易用，受到电类设计开发人员的青睐。Multisim 用软件方法虚拟电子元器件及仪器仪表，将元器件和仪器集合为一体，是原理图设计、电路测试的虚拟仿真软件。本设计采用Multisim14 对电路进行仿真，分析电路的实际效果。按照图5 的电路和计算的理论参数，设置输入信号为200kHz 的方波信号，该信号驱动晶体管控制MOSFET 导通和截止。电阻

R

为电压采样电阻，设置为0.1Ω。示波器连接在

R

两端，测量加载在

R

上的电压，由此观察脉冲宽度和脉冲电压，然后计算电路的实际输出电流。经过仿真，其电路仿真曲线如图6所示。

图6 Multisim 电路仿真图Fig.6 Multisim circuit simulation diagram

在图6 中，示波器的通道A 测量MOSFET 的输入控制信号，通道2 通过连接

R

两端，测量其两端的电压，观察电路的实际输出。从图6（a）可以看出，MOSFET 的输入信号频率为200kHz，当该信号为高电平时MOSFET 导通，然后电阻两端输出一个尖峰电压，电压峰值3.0V 左右，从图6（b）可以看出，该脉冲的脉冲宽度在30ns 左右，根据

R

的电阻值，可知脉冲峰值电流为30A，基本符合设计要求。需要注意的是脉冲输出相对于MOSFET 控制信号变为高电平有大概300ns 的延时，分析这是由于电路的寄存电容导致的MOSFET 实际开通时间延时，可以采用开关速度高的MOSFET 和在电路中增加必要的平衡电容加以控制。

5 试验分析

根据仿真结果，设计了储能型高功率脉冲驱动电路，并对电路进行了脉冲测试，测试结果完全符合设计要求，如图7所示。

图7 实际测试脉冲Fig.7 Actual test pulse

从图7 可以看出，测试电压峰值达到了0.8V，根据本次测试的采样电路电阻为30mΩ，可知峰值电流达到了25A。经脉冲重复频率测试，达到了200kHz 的驱动重复频率，目前，该电路已经可以应用于多线激光雷达的研制中，实现低电压、高电流、窄脉冲的激光器驱动。

6 结束语

通过分析储能元件的特性，说明了电子线路中储能的原理，结合激光雷达测距系统的设计指标，提出了一种基于电感储能转化电容充放电的高功率脉冲激光器驱动电路设计方法，实现了低功率电路的高电流输出。完成了电路的设计和仿真分析，并对电路进行了试验测试和分析，仿真和测试结果均达到了设计要求。该方法能够有效地积累外部能量，瞬间释放，获得高功率激光脉冲输出，在小型多线激光雷达系统中具有实际应用价值。