基于功率晶体管窄脉冲激光驱动设计

李 枭，顾国华

（南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，江苏南京210094）

基于功率晶体管窄脉冲激光驱动设计

李 枭，顾国华

（南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，江苏南京210094）

激光的高功率、窄脉冲是提高激光引信系统精度，提高引信抗干扰能力的重要手段。为实现小体积的高频、高功率、窄脉冲激光发射，采用大功率晶体管正反馈设计出晶闸管开关应用于高频脉冲激光测距窄脉冲激光发射电路，用钳位二极管抑制激光器反向击穿。通过对RLC充放电回路、晶体管开关电路、晶闸管器件的分析，设计SCR电路，分析放电回路的三个步骤，运用pspice仿真程序对驱动电路进行了参数仿真。制作了印刷电路板，得到峰值电流12 A，脉宽8 ns的脉冲电流。

激光引信；纳秒级脉冲电流；负阻尼震荡；pspice仿真

1 引 言

激光引信主要采用脉冲激光探测来对目标的距离进行判别。脉冲激光探测系统发射重复频率激光，不断对目标进行探测，光束到达目标后产生漫反射，测量激光发射脉冲和接收到的激光回波脉冲的时间差来测距，使引信在距目标一定距离上引爆。提高炸点控制精度是引信特别是近炸引信发展的一个重要内容［1］。

近炸引信的误差主要来源：

（1）测量频率太低引起的误差。对于高速运动物体假设速度1000 m/s，1 kHz的测量频率在当前测量到距离之后1 ms才会进行下一次测量，在这1 ms时间内物体已经向前运行了1 m，在这1 m距离内没有新测量值出现，系统会有1 m误差。因此，减小此误差需要不断提高激光发射频率。

（2）激光上升沿带来时间测量误差。假设回波鉴别采用固定阈值鉴别，回波信号上升沿为10 ns，那么最低鉴别点和最高鉴别点将会有10 ns的误差。所以，减小上升沿可以减小回波鉴别误差。

（3）环境干扰。激光器发射的光束可以被任何实物质反射和散射，再稀薄、细小的反射物质（如烟尘或雨、雪、云以及非金属反射物等），在近距离（几米之内）上，对激光引信均有实质上的干扰，这种干扰严重影响了引信的测距精度。

想要提高引信精度，增加抗干扰能力就必须提高激光发射频率，减小激光发射脉宽。现有的大功率窄脉冲激光驱动想要得到20 ns脉宽的激光发射一般采用的是功率MOS管和雪崩晶体管作开关。采用功率MOS管作为开关，在栅极和源极以及栅极和漏极之间有较大的寄生电容，在开启过程中需要较大的瞬间电流；采用雪崩晶体管作为开关，雪崩效应使雪崩管响应速度快，雪崩效应产生前提需要大电流注入，同样需要复杂的前级驱动电路提供开启时的瞬间大电流。本文在对RLC充放电回路理论分析以及功率晶体管开关响应时间分析的条件下，介绍了一些激光器封装带来的感抗，设计了正反馈大功率晶体管代替RLC放电回路中的开关，电路开关驱动脉冲采用STM32计时器产生的脉冲源。对整个激光驱动电路进行pspice仿真，对影响电路的关键参数做了分析。

2 RLC充放电电路原理

由于开关器件特性，要得到窄脉冲电流一般采用RLC放电。典型的RLC充放电电路如图1所示，图中开关断开时，高压E通过充电电阻R1对C进行充电，时间常数R1C。开关闭合后，电容C对RL进行放电，根据RLC值的不同分为过阻尼响应，临界阻尼响应和欠阻尼响应，因为欠阻尼响应时间短，所以激光发射选择工作在欠阻尼响应过程。

图1 RLC充放电电路

如图2所示欠阻尼响应仿真过程，V（C）为电容电压，V（L）电感电压，I（L）为整个电路电流，从仿真过程可以看出当开关闭合后电容电感电压逐渐减小，当电路中电流为最大时电感电压减小到0；此后电流逐渐减小，电容电感电压反向增大如此反复直到能量被电阻消耗。当E=100，R=1，L=10 nH， C=1 nF，可以得出周期通过对RLC放电电路分析得出想要减小电流循环周期需要减小LC值；同时激光器只能工作在正半周期，需要控制震荡。

图2 RLC放电电路电容、电感电压及电流信号

3 开关器件

由于半导体激光脉冲电源本质是一种大电流RLC放电电路，其中选择一个快速响应的高稳定脉冲电流开关器件对于驱动电路至关重要。满足响应时间几纳秒，最大脉冲电流几十安培的开关器件主要有雪崩晶体管，VMOS管和功率晶体管。雪崩三极管为电流控制器件，一般封装较大，需要较大的偏置电压驱动，对弱信号电路干扰较大；此外雪崩三极管有二次击穿现象，可能对半导体激光造成损害［2］；VMOS管为电压控制器件，输入阻抗高，开关速度快，驱动功率小，但是延迟时间和上升时间也会有几十纳秒，器件寄生电容限制了开关时间。功率晶体管作为电流控制器件，延迟时间和上升时间较大，也会有几十纳秒，如图3所示为晶体管开关电路。

图3 晶体管开关电路

在脉冲源VI的控制下，电路响应过程如图3（b）所示，VI从负电压Vb1转变为正电压Vb2后，晶体管集电极电流不会瞬间达到峰值，响应时间为td和tr；VI从Vb2转变为Vb1后，响应时间为ts和tf。

（1）延迟时间td：从输入正脉冲作用的瞬间开始到集电极电流ic上升到0.1 Icmax所需时间。截止时反向偏压越负，在转为正向偏置时，结电容的充电时间越长，td越长。同理，正向驱动能力越大（即+Vb2大，ib大），则td越短。

（2）上升时间tr：集电极电流ic从0.1 Icmax上升到0.9 Icmax所需时间。ib越大，上升时间tr越短。

对晶体管开关电路分析得知，想要得到更小的上升沿需要导通时向晶体管基极注入大脉冲电流减小电流上升时间。该结论同样适用于MOS管以及雪崩晶体管开关器件。

PNPN器件晶闸管，又称做可控硅整流器。晶闸管由阳极A阴极K和门极K构成。晶闸管工作时由门极K注入电流，通过自反馈形成快速打开。对于PNPN器件，要完成从阻态到导通快速转化，基区宽度应该较小；然而基区宽度越小，穿通电压越小［3］，即集成的晶闸管电流上升时间和能够承受的最大电压成反比。激光驱动电路中的电压影响着激光峰值电流，所以想要得到快速电流上升时间和较大峰值电流采用集成晶闸管无法做到。根据上面分析，本文通过希望通过功率晶体管设计晶闸管电路解决功率晶体管打开时间长以及晶闸管的缺陷问题。

4 功率晶体管SCR电路

根据上面的分析，为了获得更小的震荡周期需要减小放电回路LC值；图4为一些激光封装对应的封装感抗值［4］，由于使用的激光器是TO-5封装，所以取激光器封装寄生电感10 nH。

图4 激光器封装电感

采用功率晶体管设计SCR电路获得较高峰值电流和较小电流上升时间，设计电路如图 5所示。

图5 正反馈晶体管开关电路及pspice仿真

如图5所示，充电电路主要由高压V1，充电电阻R2，R7构成；放电回路由充电电容C1，脉冲信号源V2，激光器等效电阻R5，激光器封装电感L2，Q1，Q2和R3组成的正反馈电流放大器构成。D1的作用使大电流不会通过R4影响前级驱动芯片，D4作为钳位二极管限制激光反向工作引起的反向击穿。电路通过Q1集电极电流反馈给Q2基极增加基极电流从而减小电流上升时间。

（1）钳位二极管电阻

通过图5仿真曲线I（R5）看出激光电流上升时间只有6 ns，下降时间非常长，但是由Ie（Q2）曲线发现晶体管电流发射极电流下降时间不到1 ns。造成该现象的原因是，当电路中电流达到最大时，电容C1上能量几乎转移到电感L2上，由于D4的存在，电感上的能量通过L2，D4，R5放电，放电常数L/R，而不是通过LRC震荡对电容进行反向充电，所以出现了随着电容能量减小晶体管已经关断但是电感还在放电。所以想要减小R5电流下降时间需要减小LR放电常数。如图6所示为设计的放电电阻R9。

图6 电路改进及仿真

通过图6仿真曲线I（R5）看出增加R9可以将下降沿时间减小到8 ns。通过此正反馈电路设计，能够产生15 ns，25 A峰值电流。

（2）整个电路对前级驱动影响

由于Q1集电极反馈给Q2基极电流很大，有一部电流会通过V2到地进入激光器，所以电路中设计了D1抑制反向电流对前级驱动的影响。但是二极管会有反向恢复时间，二极管正向工作时突然反向会存在导通到反向截止恢复时间，这个反向电流会影响前级芯片以及给整个系统带来噪声。为了抑制反向电流改变驱动脉冲电路模式，如图7所示。

图7 前级驱动电路改进

通过增加电感L6，由于电流不能突变，反向电流到来时能够起到抑制作用，事实证明该做法对前级脉冲信号及电路噪声有一定改善。

根据对电路设计的改进得到电路放电的三个步骤：

开关打开过程（t1），当V2脉冲上升到0.7 V左右使晶体管Q2打开，初始电流（3.3-0.7）/10= 260 mA，晶体管Q2放大使Q2集电极电流增加，当达到700 mA时Vbe（Q1）=-0.7 V使Q1导通，Q1导通后产生的集电极电流注入Q2基极，使Q2集电极电流即Q1基极电流增加，更增加了Q2集电极电流，形成正反馈快速放电，当电流达到一定值后晶体管饱和，等效为短路，此时开关完全闭合。

欠阻尼震荡（t2），开关完全闭合后，电路就完全是RLC放电。随着电容C1放电两端电压减小，当电感两端电压为0时，电路中电流将会达到最大（这个电流值为激光器电流峰值），此后电流值逐渐减小，寄生电感电压会从0反向增大，当C1负端电压0.7 V时，D4导通。

RL放电（t3），D4导通后，能量大部分存在于电感之中，电路放电回路既有LRC放电L2，R5，C1，也有LR放电L2，R9。对于RL放电电路，放电常数为L/R=3.3 ns，所以增加R9可以减小电流下降沿时间，但是LR电路阻抗的增加LRC放电就会增强，会引起LRC震荡的产生，激光器反向电流出现。

通过电路放电过程的分析得出，通过Q1的反馈给Q2基极的电流使电流上升时间减小，通过R9电阻的设计减小了电流下降时间。

此开关电路设计优点：开关电路驱动功率小，因为在晶体管Q2导通后基极的电流几乎有Q1集电极提供；开关速度快，对于一片功率晶体管来说，它的脉冲前沿会大于50 ns，由于Q2导通后由于Q1反馈回来的电流会加速整个开关电流增加，使脉冲前沿小于10 ns，增加了系统响应带宽；下降时间短，下降时间由RL放电电路决定；对激光器的保护作用，由于功率晶体管有最大脉冲集电极电流限制，所以电路中脉冲电流不会超出一定范围值，由于D4存在流过激光器的电流不会反向。

5 pspice参数分析

实际电路中不仅仅只有激光器封装电感，还存在着其他寄生参数。如图8所示，实际电路中将L1，R1，L2，C2作为寄生参数，R4为限流电阻。

图8 实际电路设计及寄生参数

下面对放电回路中的电阻电容电感进行pspice参数分析获得它们对整个系统影响图。如图6所示，图中被测量信号为上升信号I（R5）和下降信号V（L2），电流I（R5）直观反映整个激光脉冲电流，电压V（L2）负向最大时为开关闭合时间，电压V（L2）为0时为电流达到最大的时间。

（1）电阻R4从1～5，仿真步长2，由图9（a）得出随着电阻增加V（L2）达到最大时间增加（t1增加），I（R5）电流减小。减小R4可以减小上升时间、增加峰值电流。

（2）电阻R9从1～5，仿真步长2，由图9（b）可以看出随着R9增加下降沿时间t3减小，但会引起电流反向，容易损坏激光器。

（3）电容C1从1～3 nF，仿真步长1 nF，由图9（c）得出电容增大，t1时间减小，但总时间增加，电容增大，电流峰值增加。

（4）电感L1从1～5 nH，仿真步长2 nH，由图9（d）得出电感对整个脉冲电流影响不大。

（5）电感L2从5～15 nH，仿真步长5 nH，由图9（e）得出电感L2增加，上升时间t1增加，峰值电流较小，电流下降时间t3增加，在整个设计一定要减小L2。

（6）高压V1从100～200 V，仿真步长50 V，由图9（f）得出高压增加能提高峰值电流，但是会引起电流上升时间t1增加。

图9 激光发射电路模型pspice参数分析

对参数分析后得出结论，在满足电流不会因为太大而损坏激光器的条件下，减小限流电阻R4；在满足激光器不会出现负向电流条件下，增加钳位二极管电阻R9；减小放电回路电感值；取一个合适充电电容C1，高压V1值，获得合适的电流峰值和放电时间。

6 实验结果及结论

通过上面的分析，在实际设计中，对于高频引信系统，充电电容电压不会太大，取V1=50 V；整个电路不希望能量耗散在电阻上，取限流电阻R4=0；由于钳位二极管并不理想，存在等效电阻，所以可以取钳位二极管电阻R9=0；采用stm32定时器生成的脉宽80 ns周期20 kHz的脉冲源。PCB中设计5个1欧姆并联电阻连接在地与激光器之间作为电流测试点，由于电路快速放电电磁干扰严重，实验中通过测量电阻两端电压相减得到电压。如图10所示，C1= 1 nF和C1=2 nF电流。

图10 C1=1 nF电流与C1=2 nF电流

由图10中得出C1=1 nF脉冲电流峰值为12 A，脉宽8.3 ns，电流持续时间18 ns，对应激光器峰值功率30 W；C1=2 nF时脉宽14 ns，峰值电流15 A，通过对比看出主要是电流下降时间较长，结果与pspice参数分析相吻合。

综上所述，本文通过正反馈向晶体管基极注入电流，减小晶体管打开时间；通过钳位二极管电阻减小电流下降时间。PCB板通过stm32芯片定时器产生的脉宽80 ns重复频率20 kHz脉冲信号和50 V高压驱动，能够产生峰值电流12 A，脉宽8 ns的激光脉冲动，整个电路体积小，驱动简单，可以应用于20 kHz激光引信系统，为激光引信中激光驱动的小体积、高功率、窄脉冲提供了很好的方案。

［1］ Liu Peng，Li Ping，Chen Huimin.Research on improving measurement precision of pulse laser fuse［J］.Laser Journal，2010，31（1）：14-16.（in Chinese）

刘鹏，栗苹，陈慧敏.提高近程脉冲激光探测系统精度研究［J］.激光杂志，2010，31（1）：14-16.

［2］ Li Nan，Han Shaokun，Zhao Wen，et al.Design of high current nanosecond pulsed driving circuit for LD［J］.Optical Technique，2012，31（1）：121-124.（in Chinese）

李楠，韩绍坤，赵文，等.大电流纳秒级脉宽激光二极管驱动电路的设计［J］.光学技术，2012，31（1）：121-124.

［3］ Robert F Pierret.Semiconductor device fundamentals［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2010，7.（in Chinese）

Robert F Pierret.半导体器件基础［M］.北京：电子工业出版社，2010，7.

［4］ Directed Energy Inc.PCO-7110 Laser Diode Driver Module Installation and Operation Notes［M］.（in Chinese）

定向能源公司.PCO-7110激光二极管驱动模块的安装和操作笔记［M］.

［5］ Zhang Jing，Liu Dongming.Computer simulation of diode laser driver［J］.Computer Simulation，2009，26（12）：356-359.（in Chinese）

张晶，刘东明.半导体激光器驱动电路的计算机仿真分析［J］.计算机仿真，2009，26（12）：356-359.

［6］ Wang Jinhua，Yao Hongbao，Liu Zixing.Analysis of laser emitting circuit with high-power and short-pulse［J］.Infrared and Laser Engineering，2010，39（6）：1049-1054.（in Chinese）

王金花，姚宏宝，刘子星.高功率窄脉冲激光发射电路分析［J］.红外与激光工程，2010，39（6）：1049-1054.

［7］ Li Yongping.Pspice circuit simulation program design［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2006，7.（in Chinese）

李永平.Pspice电路仿真程序设计［M］.北京：国防工业出版社，2006，7.

［8］ Paul Scherz.Practical electronics for inventors，second edition［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2009，4.（in Chinese）

保罗.实用电子元器件与电路基础［M］.北京：电子工业出版社，2009，4.

Narrow Pulse laser driver design based on Power transistors

LIXiao，GU Guo-hua
（Jiangsu Key Laboratory of Spectral Imaging&Intelligent Sense，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

For the purpose tomake a small volume，high frequency，high power and narrow pulse laser driver，we designed a thyristor switch by using high power transistor with positive feedback，and would apply it to high-frequency pulse laser ranging and narrow pulse laser emission circuit.The laser reverse breakdown is suppressed by using the clamping diode laser.Through theoretical analysis for RLC circuit，the transistor switch circuit and thyristor device，SCR circuitwas designed，and by analyzing principle of the discharge circuit，the whole driving circuit is simulated with SPICE program.Practical board wasmade.The peak current is 12 A and pulse width was 8 ns.

laser fuze；nanosecond pulse current；negative damping concussion；pspice simulation

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2013.05.016

1001-5078（2013）05-0544-06

李 枭（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为高精度高频率激光测距。E-mail：lixiao609@yahoo.com.cn

2012-09-26；

2012-10-22