大功率半導體激光器脈沖驅動電源的制作方法

專利名稱：大功率半導體激光器脈沖驅動電源的制作方法
技術領域：
本發明屬于電子設備的技術領域，特別涉及一種用于半導體激光器的大功率脈沖驅動電源。
背景技術：
大功率半導體激光器是工業生產、軍事國防等行業的固體激光器必需的泵浦光源，廣泛應用于激光測距、核爆模擬、激光雷達傳輸、材料加工、微處理、熱處理、打標定位等。另外大功率激光器還在手術治療腫瘤、皮膚治療、牙科治療、光鎮痛和光針灸、光學層析造影(OCT)等醫學領域得到了廣泛的應用。半導體激光器的性能受到溫度因素的影響，其輸出效率隨著自身溫度的升高而下降，也就是說半導體激光器對溫度非常的敏感，如果在工作的過程中溫度發生了改變，那么其工作就要受到影響，嚴重時甚至會燒毀元件。所以，控制好半導體激光器的溫度，成為了所有半導體激光器驅動方式都需要解決的首要問題。就半導體激光器的自身特點而言，最適合的激勵方式是脈沖激勵。脈寬非常窄的脈沖電流信號由于占空比非常低、脈沖寬度又非常窄(納秒級)，所以半導體激光器的發熱量是非常小的，而發熱量小反過來對其輸出效率的影響就低，并且多數的脈沖驅動電路是不需要溫度控制電路的，這大大的節省了成本，提高了可靠性。目前國內有一些項目在研究半導體激光器的驅動電源，在已經公開發表的論文中可以找到類似的設計，汝玉星在2008年4月公開的碩士論文《數字式激光器驅動器的設計與實現》中提到了一種基于單片機控制的半導體激光器驅動電源的設計。但在上述公開的相關設計中，輸出電流是恒流形式的，而不是脈沖的，且輸出電流不大，最大電流只到2. 5安培。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種用于驅動半導體激光器的脈沖驅動電源，輸出電流幅度不小于50安培，同時輸出的脈沖電流上升時間小于30納秒,脈沖電流寬度小于15納秒，最大的重復頻率為4KHz。上述的目的通過以下的技術方案實現I、一種大功率半導體激光器脈沖驅動電源，其結構有脈沖觸發電路I、DC-DC升壓電路2、電容儲能電路3、高速開關電路4四個部分；所述的脈沖觸發電路1，包括555芯片Ul的I腳接地，電容Cl 一端與電容C2 —端與555芯片Ul的I腳相連接，電容Cl的另一端與555芯片Ul的2腳連接，電容C2的另一端與555芯片Ul的5腳連接，555芯片Ul的2腳與555芯片Ul的6腳連接，可變電阻Rl —端與555芯片Ul的2腳相連接，另一端與555芯片Ul的7腳連接；電阻R2 —端與555芯片Ul的I腳連接，另一端與555芯片Ul的8腳連接，555芯片Ul的8腳與+12V電源相連接并接在555芯片Ul的4腳上；555芯片Ul的3腳與74LS123芯片U2的I腳連接，74LS123芯片U2的16腳與555芯片Ul的8腳連接，74LS123芯片U2的2腳與3腳連接在一起并與555芯片Ul的4腳連接，74LS123芯片U2的14腳與8腳相連接并接于電容C3 一端，電容C3另一端與74LS123芯片U2的15腳連接，74LS123芯片U2的15腳與可變電阻R3 —端連接，可變電阻R3另一端與74LS123芯片U2的16腳相連接；74LS123芯片U2的8腳接地，13腳接脈沖觸發電路I的輸出端0UT1，輸出端OUTl接高速開關電路4的輸入端口 IN3 ；所述的DC-DC升壓電路2，包括MC34063芯片U3的I腳與8腳相連，2腳與場效應管Ql柵極相連，場效應管Ql源極與地GND連接并與電容C4 一端連接，電容C4另一端與MC34063芯片U3的3腳連接，MC34063芯片U3的4腳與地GND連接；MC34063芯片U3的8腳與電阻R4 —端連接，電阻R4另一端與MC34063芯片U3的7腳連接，并與電感LI 一端連接，電感LI另一端與場效應管Ql漏極連接，并與二極管D2陽極連接，二極管D2陰極與可變電阻R7 —端連接，并通過兩個并聯的電容C5和電容C6接地，可變電阻R7另一端與MC34063芯片U3的5腳連接，并通過電阻R6接地；電阻R5 —端與MC34063芯片U3的7腳連接，另一端與MC34063芯片U3的6腳連接，并接DC-DC升壓電路2的輸入端口 INl，該輸 入端口 INl接+12V電源，二極管D2的陰極接DC-DC升壓電路2的輸出端口 0UT2，輸出端口0UT2接電容儲能電路3的輸入端口 IN2 ；所述的電容儲能電路3，包括電容C7 電容C12并聯在一起，并聯電容一端與地GND相連接，另一端接電容儲能電路3的輸出端口 0UT3，輸出端口 0UT3接高速開關電路4的輸入端口 IN4，電阻R8 —端接電容儲能電路3的輸出端口 0UT3，另一端接電容儲能電路3的輸入端口 IN2，輸入端口 IN2接DC-DC升壓電路2輸出端口 0UT2 ；所述的高速開關電路4，包括IXDD404芯片U4的2腳與4腳連接，并接高速開關電路4的輸入端口 IN3，該輸入端口 IN3接脈沖觸發電路I的輸出端0UT1，IXDD404芯片U4的5腳與7腳相連接，并與DE150-101N09芯片U5的I腳連接，IXDD404芯片U4的6腳與+12V電源連接，并通過兩個并聯電容C14、C15接地，IXDD404芯片U4的3腳與地GND連接；DE150-101N09芯片U5的3腳、4腳、5腳、6腳連接在一起，并接電阻RlO的一端，電阻RlO的另一端接高速開關電路4的輸入端口 IN4，輸入端口 IN4接電容儲能電路3的輸出端口0UT3 ；DE150-101N09芯片U5的2腳與電阻R9 —端連接，電阻R9的另一端接高速開關電路4的輸出端0UT4 ;二極管Dl的陽極與DE150-101N09芯片U5的2腳連接，陰極與輸出端口0UT4連接；輸出端口 0UT4接負載LD的陽極，負載LD的陰極接地。本發明有以下有益效果I、本發明設計的大功率半導體激光器脈沖驅動電源最大輸出電流幅度能夠大于等于50安培，輸出的脈沖電流上升時間小于等于30納秒，脈沖電流寬度小于等于15納秒，最大的重復頻率為4KHz。2、采用高速MOSFET元件作為開關器件，利用其良好的通斷特性保證輸出電流脈沖具有良好的邊沿特性。3、利用多個電容并聯形成儲能電路，通過儲能電路的放電效應實現大電流、窄脈沖信號的輸出。


圖I是本發明大功率半導體激光器脈沖驅動電源的系統框圖。
圖2是本發明的脈沖觸發電路I的原理圖。圖3是本發明的DC-DC升壓電路2的原理圖。圖4是本發明的電容儲能電路3的原理圖。圖5是本發明的高速開關電路4的原理圖。
具體實施例方式結合附圖，說明本發明各部分電路的具體結構。各實施例中，電路元件優選的參數見各實施例后的標注說明。實施例I結合

本發明的總體結構本發明大功率半導體激光器脈沖驅動電源，由脈沖觸發電路1、DC-DC升壓電路2、電容儲能電路3、高速開關電路4四部分組成，結構框圖如圖I所示。其中DC-DC升壓電路2產生高壓直流電壓，連接到電容儲能電路3上，電容儲能電路存儲能量，并與高速開關電路4連接，高速開關電路4在脈沖觸發電路I所產生的觸發信號的控制下，將電容儲能電路3存儲的能量釋放，從而在負載LD上得到電流值很大的窄脈沖。實施例2脈沖觸發電路I如圖2所示，脈沖觸發電路I包括555芯片Ul的I腳接地，電容Cl與C2 —端與555芯片Ul的I腳相連接，Cl的另一端與555芯片Ul的2腳連接，C2的另一端與555芯片Ul的5腳連接，555芯片Ul的2腳與555芯片Ul的6腳連接，可變電阻Rl —端與555芯片Ul的2腳相連接，另一端與555芯片Ul的7腳連接。電阻R2 —端與555芯片Ul的7腳連接，另一端與555芯片Ul的8腳連接，555芯片Ul的8腳與+12V電源相連接并接在555芯片Ul的4腳上。555芯片Ul的3腳與74LS123芯片U2的I腳與連接，74LS123芯片U2的16腳與555芯片Ul的8腳連接，74LS123芯片U2的2腳與3腳連接在一起并與555芯片Ul的4腳連接，74LS123芯片U2的4、5、6、7、9、10、11、12腳空置。74LS123芯片U2的14腳與8腳相連接并接于電容C3 —端，電容C3另一端與74LS123芯片U2的15腳連接，74LS123芯片U2的15腳與可變電阻R3 —端連接，R3另一端與74LS123芯片U2的16腳相連接。74LS123芯片U2的8腳接地，13腳接脈沖觸發電路I的輸出端OUTI，該輸出端OUTl接高速開關電路4的輸入端口 IN3。上述實施例中可米用的器件型號可以分別選取555芯片Ul可米用NE555,電容Cl、C2的取值均為10nF，電容C3的取值為10pF，可變電阻Rl為電位器W203，電阻R2的取值為1KQ，可變電阻R3為電位器W204。實施例3DC-DC升壓電路2
如圖3所示，DC-DC升壓電路2包括MC34063芯片U3的I腳與8腳相連，2腳與場效應管Ql柵極相連，Ql源極與地GND連接并與電容C4 一端連接，C4另一端與MC34063芯片U3的3腳連接，MC34063芯片U3的4腳與地GND連接。MC34063芯片U3的8腳與電阻R4 —端連接，R4另一端與MC34063芯片U3的7腳連接，并與電感LI 一端連接，電感LI另一端與場效應管Ql漏極連接，并與二極管D2陽極連接，二極管D2陰極與可變電阻R7 —端連接，并通過兩個并聯的電容C5和C6接地，R7另一端與MC34063芯片U3的5腳連接，并通過電阻R6接地。電阻R5 —端與MC34063芯片U3的7腳連接，另一端與MC34063芯片U3的6腳連接，并接DC-DC升壓電路2的輸入端口 INl，該輸入端口 INl接+12V電源，二極管D2的陰極接DC-DC升壓電路的輸出端口 0UT2，該輸出端口 0UT2接電容儲能電路3的輸入端口 IN2。上述實施例中可采用的器件型號可以分別選取電阻R4的取值為100Q，電阻R5的取值為0. 5 Q，電阻R6的取值為IK Q，可變電阻R7為電位器W105，電容C4的取值為500pF，電容C5的取值為33 u F，電容C6的取值為0. I y F，電感LI的取值為100 U H，二極管D2為1N4007，場效應管Ql為IRF640。實施例4電容儲能電路3如圖4所示，電容儲能電路3包括電容C7、C8、C9、C10、C11、C12并聯在一起，并聯
電容一端與地GND相連接，另一端接本電容儲能電路3的輸出端口 0UT3，該輸出端口 0UT3接高速開關電路4的輸入端口 IN4，電阻R8 —端接電容儲能電路3的輸出端口 0UT3，另一 端接電容儲能電路3的輸入端口 IN2，該輸入端口 IN2接DC-DC升壓電路2輸出端口 0UT2。由于電容儲能電路采用多個電容并聯進行儲能，從而可得到幅度大于50安培，脈沖電流寬度小于15納秒的大電流、窄脈沖輸出信號。上述實施例中可采用的器件型號可以分別選取電容07、08、09、(10、(11、(12的取值均為5nF，電阻R8的取值為IKQ。實施例5聞速開關電路4如圖5所示，高速開關電路4包括IXDD404芯片U4的2腳與4腳連接，并接高速開關電路4的輸入端口 IN3，該輸入端口 IN3接脈沖觸發電路I的輸出端0UT1，IXDD404芯片U4的5腳與7腳相連接，并與DE150-101N09芯片U5的I腳連接，IXDD404芯片U4的6腳與+12V電源連接，并通過兩個并聯電容C14、C15接地，IXDD404芯片U4的3腳與地GND連接。DE150-101N09芯片U5的3腳、4腳、5腳、6腳連接在一起，并接電阻RlO的一端，電阻RlO的另一端接高速開關電路4的輸入端口 IN4，該輸入端口 IN4接電容儲能電路3的輸出端口 0UT3。DE150-101N09芯片U5的2腳與電阻R9 —端連接，電阻R9的另一端接高速開關電路的輸出端0UT4。二極管Dl的陽極與DE150-101N09芯片U5的2腳連接，陰極與輸出端口 0UT4連接。輸出端口 0UT4接負載LD的陽極，LD的陰極接地。由于高速MOSFET芯片DE150-101N09具有良好的通斷特性，從而使得輸出電流脈沖具有良好的邊沿特性，上升時間小于30納秒。上述實施例中可采用的器件型號可以分別選取電容C14、C15的取值均為22nF，電阻R9的取值為0. 5 Q，電阻RlO的取值為I Q，二極管Dl為1N4007。
權利要求
1.一種大功率半導體激光器脈沖驅動電源，其結構有脈沖觸發電路(1)、DC-DC升壓電路(2)、電容儲能電路(3)、高速開關電路(4)四個部分； 所述的脈沖觸發電路(I)，包括555芯片Ul的I腳接地，電容Cl 一端與電容C2 —端與555芯片Ul的I腳相連接，電容Cl的另一端與555芯片Ul的2腳連接，電容C2的另一端與555芯片Ul的5腳連接，555芯片Ul的2腳與555芯片Ul的6腳連接，可變電阻Rl —端與555芯片Ul的2腳相連接，另一端與555芯片Ul的7腳連接；電阻R2 —端與555芯片Ul的7腳連接，另一端與555芯片Ul的8腳連接，555芯片Ul的8腳與+12V電源相連接并接在555芯片Ul的4腳上；555芯片Ul的3腳與74LS123芯片U2的I腳連接，74LS123芯片U2的16腳與555芯片Ul的8腳連接，74LS123芯片U2的2腳與3腳連接在一起并與555芯片Ul的4腳連接，74LS123芯片U2的14腳與8腳相連接并接于電容C3 —端，電容C3另一端與74LS123芯片U2的15腳連接，74LS123芯片U2的15腳與可變電阻R3 —端連接，可變電阻R3另一端與74LS123芯片U2的16腳相連接；74LS123芯片U2的8腳接地，13腳接脈沖觸發電路(I)的輸出端0UT1，輸出端OUTl接高速開關電路⑷的輸入端口 IN3; 所述的DC-DC升壓電路(2)，包括MC34063芯片U3的I腳與8腳相連，2腳與場效應管Ql柵極相連，場效應管Ql源極與地GND連接并與電容C4 一端連接，電容C4另一端與MC34063芯片U3的3腳連接，MC34063芯片U3的4腳與地GND連接；MC34063芯片U3的8腳與電阻R4 —端連接，電阻R4另一端與MC34063芯片U3的7腳連接，并與電感LI 一端連接，電感LI另一端與場效應管Ql漏極連接，并與二極管D2陽極連接，二極管D2陰極與可變電阻R7 —端連接，并通過兩個并聯的電容C5和電容C6接地，可變電阻R7另一端與MC34063芯片U3的5腳連接，并通過電阻R6接地；電阻R5 —端與MC34063芯片U3的7腳連接，另一端與MC34063芯片U3的6腳連接，并接DC-DC升壓電路(2)的輸入端口 INl，該輸入端口 INl接+12V電源，二極管D2的陰極接DC-DC升壓電路(2)的輸出端口 0UT2，輸出端口 0UT2接電容儲能電路(3)的輸入端口 IN2 ； 所述的電容儲能電路(3)，包括電容C7 電容C12并聯在一起，并聯電容一端與地GND相連接，另一端接電容儲能電路⑶的輸出端口 0UT3，輸出端口 0UT3接高速開關電路(4)的輸入端口 IN4，電阻R8—端接電容儲能電路(3)的輸出端口 0UT3，另一端接電容儲能電路⑶的輸入端口 IN2，輸入端口 IN2接DC-DC升壓電路⑵輸出端口 0UT2 ； 所述的高速開關電路(4)，包括IXDD404芯片U4的2腳與4腳連接，并接高速開關電路⑷的輸入端口 IN3，該輸入端口 IN3接脈沖觸發電路⑴的輸出端0UT1，IXDD404芯片U4的5腳與7腳相連接，并與DE150-101N09芯片U5的I腳連接，IXDD404芯片U4的6腳與+12V電源連接，并通過兩個并聯電容C14、C15接地，IXDD404芯片U4的3腳與地GND連接；DE150-101N09芯片U5的3腳、4腳、5腳、6腳連接在一起，并接電阻RlO的一端，電阻RlO的另一端接高速開關電路(4)的輸入端口 IN4，輸入端口 IN4接電容儲能電路(3)的輸出端口 0UT3 ;DE150-101N09芯片U5的2腳與電阻R9 —端連接，電阻R9的另一端接高速開關電路⑷的輸出端0UT4 ;二極管Dl的陽極與DE150-101N09芯片U5的2腳連接，陰極與輸出端口 0UT4連接；輸出端口 0UT4接負載LD的陽極，負載LD的陰極接地。
2.根據權利要求I所述的大功率半導體激光器脈沖驅動電源，其特征在于，所述的脈沖觸發電路⑴中所用的555芯片Ul采用NE555，電容Cl、電容C2的取值均為10nF，電容C3的取值為10pF，可變電阻Rl為電位器W203，電阻R2的取值為IK Q，可變電阻R3為電位器 W204。
3.根據權利要求I所述的大功率半導體激光器脈沖驅動電源，其特征在于，所述的DC-DC升壓電路⑵中所用的電阻R4的取值為100 Q，電阻R5的取值為0. 5 Q，電阻R6的取值為IK Q，可變電阻R7為電位器W105，電容C4的取值為500pF，電容C5的取值為33 y F，電容C6的取值為0. I ii F，電感LI的取值為100 u H，二極管D2為1N4007，場效應管Ql為IRF640。
4.根據權利要求I所述的大功率半導體激光器脈沖驅動電源，其特征在于，所述的電容儲能電路⑶中所用的電容C7 電容C12的取值均為5nF，電阻R8的取值為IKQ。
5.根據權利要求I所述的大功率半導體激光器脈沖驅動電源，其特征在于所述的高速開關電路⑷所用的電容C14、C15的取值均為22nF，電阻R9的取值為0. 5Q，電阻RlO的取值為I Q，二極管Dl為1N4007。
全文摘要
本發明大功率半導體激光器脈沖驅動電源屬于電子設備的技術領域，結構有脈沖觸發電路(1)、DC-DC升壓電路(2)、電容儲能電路(3)、高速開關電路(4)等四部分。其中電容儲能電路(3)利用多個電容并聯構成，高速開關電路(4)采用高速MOSFET元件作開關器件。本發明提供的用于驅動半導體激光器的脈沖驅動電源，輸出電流幅度大于等于50安培，同時輸出的脈沖電流上升時間小于等于30納秒，脈沖電流寬度小于等于15納秒，最大的重復頻率為4KHz；采用高速MOSFET元件作為開關器件，保證輸出電流脈沖具有良好的邊沿特性；利用多個電容并聯形成儲能電路，實現大電流、窄脈沖信號的輸出。
文檔編號H02M9/04GK102624278SQ20121012026
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月21日 優先權日2012年4月21日
發明者單江東, 吳戈, 汝玉星, 田小建, 高博 申請人:吉林大學