適用于激光引信的脈沖半導體激光電源研制

王 強,李 智

（四川大學電子信息學院，四川成都，610064）

0 引言

激光引信是隨著激光技術的快速發展而出現一種新型近炸引信，由于激光引信具有引信脈沖窄、定距精度高、引戰配合效率高、引爆時間準、命中率高、抗綜合干擾能力強等特點，已備受各個國家重視并得到研制。在實際的激光引信裝置中，系統帶寬、定距精度、作用距離、抗干擾能力等指標的優越性能都取決于半導體激光器發射的光脈沖質量。質量高的激光脈沖具有上升沿時間短、峰值功率高、脈寬窄、重復率高等特點。激光脈沖質量的主要影響因素是驅動電源的性能。目前，通用的脈沖半導體驅動電源采用高壓供電，功耗大，脈沖上升沿平緩，脈寬時間長等因素，制約著激光引信的實際應用。

針對上述特點，本文設計出適用于激光引信的窄脈沖半導體激光器驅動電源裝置，該驅動電源低壓供電，功耗小，脈沖電流上升沿時間可達到納秒級，脈寬窄，峰值功率高。

1 半導體激光電源

適用于激光引信的新型窄脈沖半導體激光驅動電源，結構上包括驅動電路，開關電路和反饋電路。其中驅動電路為后級開關電路提供一個上升沿陡峭，脈寬窄，峰值電流大的控制信號。開關電路采用高速金屬氧化物半導體場效應管作為開關，為激光器提供一個重復率高、上前沿快、脈寬窄、脈沖峰值電流大的脈沖信號，而且輸出的激光脈沖波形平滑。反饋電路主要由采樣電路和差分放大電路組成，為輸出脈沖電流的穩定提供保障。

1.1 驅動電路

驅動電路對原始的控制輸入信號進行整形、提高驅動能力、提升驅動電壓，為后級開關電路提供一個上升沿快，脈寬窄，峰值電流大的控制信號，該控制信號性能指標與最終輸出脈沖電流指標息息相關。驅動電路由OCL電路和MOS管驅動電路組成。OCL電路選擇β值小、基極輸入電流大、響應時間短的功率晶體三極管NECB772和NECB882。MOS管專業驅動芯片選擇著名半導體公司IXYS公司的芯片IXDD415，該芯片最大驅動電流=15A，輸入電壓范圍大，在8-30V均可，信號上升下降時間小于3ns，最小的脈寬6ns。

1.2 開關電路

開關電路包括加速導通和快速關斷電路、MOSFET保護電路以及MOSFET為核心的驅動電路組成，是整個電路設計的核心。在加速導通和快速關斷電路中，如圖1所示，電路前級輸入高電平信號時，驅動電流經過C1、二極管D1和Rg給MOS管等效輸入電容Ciss充電，MOSFET開始導通，其中C1是加速電容，D1是快速導通二極管，期間三極管Q1截止；前級輸入低電平時，Q1導通，柵極放電電流并不回流到前級驅動模塊，而是通過Q1的發射極、集電極和R2形成放電回路。由于放電過程中Vgs=0.7V時Q1就截止，柵極電荷不完全釋放，故加R3放走剩余電荷，消除電荷積累。此電路中Rg除了控制柵極電流大小，還能消除振蕩。在MOSFET的高頻等效電路中，漏極存在寄生電感Ls，Ls串聯在MOSFET柵極充放電電路中，與Ciss構成高Q值得振蕩電路，易引起MOSFET在一個脈寬時間重復導通和截止。解決辦法就是在柵極串入一個合適的電阻，降低回路Q值，合適的柵極串聯電阻取值：

式中Rdrv是MOSFET前級驅動芯片輸入電阻，Rgl是MOSFET本身的寄生電阻，Rg可以讓柵極回路處于臨界阻尼狀態。此外在MOSFET管的漏極和源極之間并聯了保護電路，保護電路由C3、D2和R6組成的，用于吸收MOSFET關斷瞬間在漏極上產生的反峰電壓。

MOSFET為核心的驅動電路中，當MOSFET管Q2關閉的時候，外部電壓V1通過限流電阻R5給儲能電容C2充電；當MOSFET管Q2導通的時候，C2上的電壓通過LD激光器和采樣電阻R4放電，完成一次激光脈沖的產生。其中場管Q2選用DE275-101N30，通過改變電路中R5、V1、C2的值，可以改變電流脈沖的上升沿Tr，峰值電流Ip；且任意改變任一參數，脈沖的峰值電流和上升前沿都會改變。

圖1 脈沖激光器驅動電路Fig.1 Drive circuit of pulse laser diode

1.3 反饋電路

反饋電路是由采樣電路和差分放大電路組成。采樣電路中的電阻是1W、10m歐姆精密電阻。差分放大電路中的運放是高速運放，這里選用的是AD811，其擺率SR值高達2500V/μs。工作原理如下：運放1通過采集采樣電阻兩端的電壓進行差分放大，電壓輸出送入運放2的輸入端，與原始控制信號進行差分放大輸出，輸出的信號經過整形再驅動MOSFET，這樣形成一個閉合的負反饋回路。反饋電路保證脈沖電流輸出穩定，保證激光器的正常工作。

2 實驗與分析

根據要求設計出電源，實驗測試使用德國Osram公司生產的半導體激光器，該激光器是專門應用于激光引信的激光器，其型號為SPL PL90_3。

FPGA產生頻率為5KHz、脈寬是20ns的控制信號，電路中電容C2是1μF，用光電探測器檢測激光器產生的光脈沖。圖2是充電電壓為5V時候產生的光脈沖，從圖中可以看到光脈沖的上升沿2.7ns，光脈沖的寬度為5.8ns。實際在電路中測得經過采樣電阻上的電流是5.2A，示波器上可以看出儲能電容上的電壓變化為25mV，流過激光器的電流脈沖寬度：，與光電探測器測量值基本相符。用光功率計測量光脈沖的平均功率是0.48mW，所以光脈沖的峰值功率為。圖3是充電電壓為24V時激光器產生的光脈沖波形，光脈沖的上升沿為3.4ns，脈沖寬度7.2ns，此時測得的光脈沖的平均功率是1.12mW，得到光脈沖的峰值功率是31.11W。實驗結果可知，隨著充電電壓的增加，脈沖電流的幅值線性增加，光脈沖峰值功率也線性增加，光脈沖寬度5.8ns逐步增加到7.9ns，光脈沖的上升沿基本不變，保持在3ns左右。

圖2 充電電壓為5V時的光脈沖波形Fig.2 Optical pulse shape when charging voltage is 5V

圖3 充電電壓為10V時的光脈沖波形Fig.3 Optical pulse shape when charging voltage is 12V

改變控制信號脈沖寬度和重復率，頻率改為20KHz，充電電壓為24V，儲能電容1μF，圖4為控制信號脈寬為10ns的光脈沖波形，圖5是控制信號脈寬為30ns時的光脈沖波形，從圖中可以看出：光脈沖寬度隨著控制信號脈沖寬度改變而改變，控制信號脈寬為10ns時光脈沖脈寬只有5.1ns，控制信號脈寬為30ns時光脈沖脈寬則上升到8.6ns。

圖4 控制信號脈沖10ns時的光脈沖Fig.4 Optical pulse shape when control signal is 10ns

3 結論

激光引信廣泛應用于航空炸彈、火箭、飛航導彈以及反坦克導彈上，是激光技術在引信上的一個發展趨勢。本文中設計的脈沖半導體激光器驅動電源產生的光脈沖重復率高達20KHz，在常規供電24V時，峰值功率可達30W，上升沿3.4ns，脈沖寬度7.2ns，完全滿足激光近炸引信對激光器驅動模塊要求體積小、高重復率、脈沖窄、功率高、能耗低等特點，為提高常規彈藥作戰效能提供參考。該激光驅動電源也可應用到激光通信、激光探測、激光測距中，具有廣泛的應用前景。

圖5 控制信號脈沖30ns時的光脈沖Fig.5 Optical pulse shape when control signal is 30ns

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