王鍇磊 吳春嬋 王曉光 劉 柯 鮑晨興 郭天茂 朱 浩

（北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076）

1 引言

由于激光所具有的良好的單色性、準(zhǔn)直性和相干性等特點(diǎn)，因此，在目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如脈沖激光雷達(dá)、三維形貌測(cè)量和大地測(cè)繪等目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體激光器制造工藝的成熟，半導(dǎo)體激光器的輸出功率不斷提高，采用905nm 的二級(jí)安全激光促使了激光探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。在大部分的目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域中，激光器工作在脈沖驅(qū)動(dòng)模式，目標(biāo)探測(cè)的性能很大程度上取決于脈沖激光的發(fā)射質(zhì)量，脈沖發(fā)射的上升和下降時(shí)間決定測(cè)量精度，脈沖的峰值功率決定測(cè)量范圍。所以，設(shè)計(jì)高質(zhì)量、大功率的脈沖激光器驅(qū)動(dòng)電路成為必須。

在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)大功率需要加大電源的功率，這就增加了很大的成本，電路結(jié)構(gòu)也相應(yīng)的增大。在進(jìn)行激光雷達(dá)的研究中，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)小、探測(cè)精度高、探測(cè)范圍大的多線激光雷達(dá)，我們結(jié)合儲(chǔ)能元件的特性，提出并設(shè)計(jì)了一種基于儲(chǔ)能元件儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換和釋放原理的脈沖驅(qū)動(dòng)電路，解決了低電壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高能激光脈沖的輸出，經(jīng)過(guò)對(duì)儲(chǔ)能元件的分析、電路原理和電路參數(shù)的計(jì)算，完成了電路的設(shè)計(jì)，并采用Multisim 系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)際測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2 儲(chǔ)能元件

所謂儲(chǔ)能電路，就是利用儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)能量的瞬間轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)特定的電路功能，尤其在高速模擬電路的設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用。能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間的高電壓和高電流。實(shí)際電路中，使用最多的儲(chǔ)能元件就是感性元件和容性元件，最為典型的就是我們電路中常用的電感和電容。在交流電路中，儲(chǔ)能元件的平均功率為零，即無(wú)功率消耗、無(wú)能量的消耗，只有能量的積累、轉(zhuǎn)換和輸出。含有儲(chǔ)能元件的電路，從一種穩(wěn)態(tài)變換到另一種穩(wěn)態(tài)必須要一段時(shí)間，這個(gè)變換過(guò)程就是電路的過(guò)渡過(guò)程，產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程的原因是能量不能躍變。電容存儲(chǔ)的是電荷，電感存儲(chǔ)的是磁通引起的材料極化能。

2.1 電容儲(chǔ)能分析

兩個(gè)相互靠近的導(dǎo)體，中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)，就構(gòu)成了電容器。當(dāng)電容器的兩個(gè)極板之間加上電壓時(shí)，電容器就會(huì)儲(chǔ)存電荷。撤去電源，電容上的電荷依然能夠長(zhǎng)久聚集，故能儲(chǔ)能，如圖1所示。

圖1 電容儲(chǔ)能特性Fig.1 Capacitor energy storage characteristics

電源

U

以電流

I

給電容充電，根據(jù)電容的基礎(chǔ)知識(shí)我們可知：

式中：

I

——充電電流；

q

——電荷；

C

——電容值；

t

——充電時(shí)間。

公式（1）表明，某一時(shí)刻充電電流與電容兩端電壓的變化率有關(guān)系，實(shí)際電路中，電流為有限值，則電容兩端的電壓不能躍變，為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，用公式（2）表示：

式中：

u

（

t

）——電壓對(duì)時(shí)間的函數(shù)；

u

（

t

）——

t

時(shí)刻的電壓值，也就是電壓初始值；

ξ

——電容元件的VCR 參數(shù)。

公式（2）表明，某一時(shí)刻電容兩端的電壓與該時(shí)刻之前的所有電流值有關(guān)，還與其初始電壓有關(guān)，因此，可以確定電容的“記憶功能”也就是儲(chǔ)能功能?？梢栽谝欢螘r(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量并轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)儲(chǔ)存起來(lái)，在另一段時(shí)間又把能量釋放給回電路。

2.2 電感儲(chǔ)能分析

把金屬導(dǎo)線繞在一個(gè)骨架上就構(gòu)成了一個(gè)實(shí)際的電感線圈，具備了電感的基本功能，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，形成一種抵抗電流變化儲(chǔ)存磁能的元件。其基本特性就是當(dāng)電流接通時(shí)它試圖去阻止電流，如果電流突然斷開(kāi)，它又試圖維持電流不變，如圖2所示。

圖2 電感儲(chǔ)能特性Fig.2 Inductive energy storage characteristics

根據(jù)電感特性可知：

式中：

u

（

t

）——電壓對(duì)時(shí)間的函數(shù)；

ψ

——磁通量；

L

——電感值；

I

（

t

）——

t

時(shí)間內(nèi)流過(guò)電感的電流值。

由公式（3）可知，電感兩端電壓取決于電流的變化率，實(shí)際電路中，電感電壓為有限值，則電流不能躍變，是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。用公式（4）表示：

式中：

I

（

t

）——

t

時(shí)刻流過(guò)電感的電流值。

公式（4）表明，某一時(shí)刻電感的電流值與其初始電流值和之前所有時(shí)刻的電壓直有關(guān)，故電感具有電壓記憶功能，能夠儲(chǔ)存磁能?？梢栽谝欢螘r(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量并轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存起來(lái)，在另一段時(shí)間內(nèi)在釋放給回路。

3 高功率脈沖驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文所介紹的激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)中，采用了非合作目標(biāo)的方式進(jìn)行距離測(cè)量。在此種方式下，激光脈沖在傳播過(guò)程中，功率會(huì)受到很多因素的影響，從而導(dǎo)致衰減十分嚴(yán)重。圖3 為激光雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)示意圖。本文所設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)所測(cè)量的距離最大值為200m，屬于短距離測(cè)距，因此可以忽略激光在空氣中傳播的衰減。

圖3 激光雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of lidar target detection

一般情況下，接收激光脈沖的功率表達(dá)式，可以通過(guò)光學(xué)理論進(jìn)行推導(dǎo)，用公式（5）表示：

式中：

P

——接激光脈沖功率；

T

——接收光學(xué)系統(tǒng)的激光透過(guò)率；

I

——接收到激光的強(qiáng)度；

A

——激光接收區(qū)域；

d

——測(cè)量距離；

P

——激光發(fā)射二極管的發(fā)射脈沖功率；

T

——發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的激光透過(guò)率；

T

——濾波透鏡的激光通過(guò)率；

ρ

——被測(cè)目標(biāo)表面的反射率。按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，

T

和

T

取值0.88，目標(biāo)物表面最小反射率取0.1，

T

取值0.8，

A

取半徑為12mm 的圓的面積，則

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)量距離為200m，因此，可知

P

＝2

．

23×10

P

。本設(shè)計(jì)采用APD 探測(cè)器，其最小敏感功率為9.2nW，因此，激光發(fā)射功率

P

＝41.25W。根據(jù)所選用的中電四十四所的激光器905nm-50W手冊(cè)可知激光器達(dá)到41.25W 輸出功率、測(cè)量頻率為200kHz 時(shí)，其瞬時(shí)電流需要30A，脈沖寬度25nm?；诖藚?shù)設(shè)計(jì)激光器的驅(qū)動(dòng)電路。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的驅(qū)動(dòng)脈沖，因此，不能采用開(kāi)關(guān)直接控制的方式，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電路的延遲將會(huì)導(dǎo)致脈沖的失真。為了在低電壓條件下實(shí)現(xiàn)高功率的激光二極管的驅(qū)動(dòng)，激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路采用電感和電容儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換的方式設(shè)計(jì)，通過(guò)外部開(kāi)關(guān)電路控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)高頻的電感、電容的儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換和釋放，由此，實(shí)現(xiàn)窄脈寬高功率高重復(fù)頻率的驅(qū)動(dòng)電流。其電路原理如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電路原理Fig.4 Principle of energy storage drive circuit

當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，充電電路為儲(chǔ)能電路儲(chǔ)存能量，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，儲(chǔ)能電路左端電位拉低，瞬間放電，形成電流回路，驅(qū)動(dòng)LD 發(fā)出脈沖激光，圖4 中二極管為續(xù)流通道，電阻用于測(cè)試電流采樣。根據(jù)圖4 的原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖5所示的激光二極管脈沖驅(qū)動(dòng)電路。

在圖5 的電路中，開(kāi)關(guān)的控制采用的是N 溝道的MOSFET，MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)NPN 型晶體管，充電電路是由防倒流二極管

D

、限流電阻和儲(chǔ)能電感組成。儲(chǔ)能電路由儲(chǔ)能電容

C

和續(xù)流二極管組成，采樣電阻

R

用于測(cè)試時(shí)的電流采樣。

圖5 儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of energy storage drive circuit

結(jié)合電路原理分析該電路的工作過(guò)程：

①當(dāng)控制信號(hào)SIG_IN 為高電平時(shí)，MOSFET 導(dǎo)通，外部電源

V

通過(guò)

D

、

L

、

Q

構(gòu)成電流回路，

L

中儲(chǔ)存能量，其儲(chǔ)存能量大小可以表示為：

式中：

W

——電感的儲(chǔ)存能量；

L

——電感的感抗；

V

——系統(tǒng)供電電壓；

T

——驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期；

R

——回路總電阻。②當(dāng)控制信號(hào)SIG_IN 為低電平時(shí)，MOSFET 截止，由于電感中的電流不能突變，因此，

L

通過(guò)

C

和

D

釋放能量，為

C

充電，能量轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存在

C

中，

C

中的能量大小可以表示為：

式中：

W

——電容的儲(chǔ)存能量；

C

——儲(chǔ)能電容；

U

——充電電壓。③當(dāng)控制信號(hào)SIG_IN 再次變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，MOSFET 導(dǎo)通，除了①所述的工作過(guò)程外，由于電容

C

左側(cè)電壓被拉為零電平，導(dǎo)致

C

通過(guò)

Q

、地、

R

、

D

快速放電，形成瞬間高功率脈沖電流，驅(qū)動(dòng)激光二極管

D

點(diǎn)亮。按照3.1 所述的電路指標(biāo)，電流為30A，

R

和

Q

的內(nèi)阻為0.1Ω，則壓降為3V，激光器驅(qū)動(dòng)電壓壓降為12V，則電容

C

的兩端電壓為15V。電容兩端電壓：

根據(jù)設(shè)計(jì)

t

＝25ns，

I

＝30A，

U

＝15V，可知：

C

＝50nF。按照式（7）可知：

由于電容

C

的能量來(lái)自電感

L

，所以可知：

按照公式（7）即可計(jì)算電感

L

的感抗為45μH。

4 電路仿真

在眾多的EDA 仿真軟件中，Multisim 軟件界面友好、功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，受到電類設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員的青睞。Multisim 用軟件方法虛擬電子元器件及儀器儀表，將元器件和儀器集合為一體，是原理圖設(shè)計(jì)、電路測(cè)試的虛擬仿真軟件。本設(shè)計(jì)采用Multisim14 對(duì)電路進(jìn)行仿真，分析電路的實(shí)際效果。按照?qǐng)D5 的電路和計(jì)算的理論參數(shù)，設(shè)置輸入信號(hào)為200kHz 的方波信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)晶體管控制MOSFET 導(dǎo)通和截止。電阻

R

為電壓采樣電阻，設(shè)置為0.1Ω。示波器連接在

R

兩端，測(cè)量加載在

R

上的電壓，由此觀察脈沖寬度和脈沖電壓，然后計(jì)算電路的實(shí)際輸出電流。經(jīng)過(guò)仿真，其電路仿真曲線如圖6所示。

圖6 Multisim 電路仿真圖Fig.6 Multisim circuit simulation diagram

在圖6 中，示波器的通道A 測(cè)量MOSFET 的輸入控制信號(hào)，通道2 通過(guò)連接

R

兩端，測(cè)量其兩端的電壓，觀察電路的實(shí)際輸出。從圖6（a）可以看出，MOSFET 的輸入信號(hào)頻率為200kHz，當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)MOSFET 導(dǎo)通，然后電阻兩端輸出一個(gè)尖峰電壓，電壓峰值3.0V 左右，從圖6（b）可以看出，該脈沖的脈沖寬度在30ns 左右，根據(jù)

R

的電阻值，可知脈沖峰值電流為30A，基本符合設(shè)計(jì)要求。需要注意的是脈沖輸出相對(duì)于MOSFET 控制信號(hào)變?yōu)楦唠娖接写蟾?00ns 的延時(shí)，分析這是由于電路的寄存電容導(dǎo)致的MOSFET 實(shí)際開(kāi)通時(shí)間延時(shí)，可以采用開(kāi)關(guān)速度高的MOSFET 和在電路中增加必要的平衡電容加以控制。

5 試驗(yàn)分析

根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能型高功率脈沖驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)電路進(jìn)行了脈沖測(cè)試，測(cè)試結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求，如圖7所示。

圖7 實(shí)際測(cè)試脈沖Fig.7 Actual test pulse

從圖7 可以看出，測(cè)試電壓峰值達(dá)到了0.8V，根據(jù)本次測(cè)試的采樣電路電阻為30mΩ，可知峰值電流達(dá)到了25A。經(jīng)脈沖重復(fù)頻率測(cè)試，達(dá)到了200kHz 的驅(qū)動(dòng)重復(fù)頻率，目前，該電路已經(jīng)可以應(yīng)用于多線激光雷達(dá)的研制中，實(shí)現(xiàn)低電壓、高電流、窄脈沖的激光器驅(qū)動(dòng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析儲(chǔ)能元件的特性，說(shuō)明了電子線路中儲(chǔ)能的原理，結(jié)合激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出了一種基于電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化電容充放電的高功率脈沖激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了低功率電路的高電流輸出。完成了電路的設(shè)計(jì)和仿真分析，并對(duì)電路進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和分析，仿真和測(cè)試結(jié)果均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該方法能夠有效地積累外部能量，瞬間釋放，獲得高功率激光脈沖輸出，在小型多線激光雷達(dá)系統(tǒng)中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。