一種數(shù)字化激光激勵源的研制

宋思嘉 韓春生

（中國電子科技集團公司第二十七研究所 河南省鄭州市 450047）

激光激勵源的原理是對激光工作物質進行激勵，將激活的粒子從基態(tài)抽運到高能級，以實現(xiàn)粒子束反轉，從而激發(fā)激光產生。本次數(shù)字化激光激勵源的研制，對實際的激光測距機相關產品進行實際稱量，從中了解到，現(xiàn)有的激光測距機激勵源重量可以占到總重量的50%左右，所以，如果在不影響性能的前提下，能夠有效地削減激光激勵源的重量，也就可以有效將測距機重量進行削減。所以，只要研制出小型化的控制激勵源[1]，就可以有效的減少了激光測距設備的體積重量。

1 激光激勵源的工作原理分析

1.1 激勵源的工作過程

如圖1所示，激勵源的工作過程一般是由4 個部分組成[2]，具體如下：

（1）上電充電過程。激勵源每次工作僅有一次，初始狀態(tài)也是其最終狀態(tài)，儲能電容C1 兩端的電壓為0；中間過程時，高壓模塊N1 將通過限流電阻R1 對儲能電容C1 進行充電；最終狀態(tài)，電容兩端的電壓與高壓模塊的電壓達到相同，儲能電容C1 此時停止充電，此過程中mos 管電子開關始終處于斷路狀態(tài)。

（2）工作放電過程。即ST置高，從而引發(fā)mos管的G端高電平，mos 管電子開關打通，電流從儲能電容C1 流出，并通過負載LD、mos 管、取樣電阻、最后流回到儲能電容C1 中。當ST 信號變低后，放電過程結束。在此放電過程中，由于放電電流是遠大于充電電流的，所以充電電流造成的影響可以忽略。

（3）工作充電過程。當放電過程結束后，儲能電容C1 因放電而引起電壓降低，此時，高壓模塊N1 將通過限流電阻R1 對儲能電容C1 進行充電，一直充到下一次放電過程開始。此過程mos 管電子開關始終處于斷路狀態(tài)。

（4）工作結束放電過程。當測距機停止工作時，電源高壓模塊N1 的前端24V 電壓將變?yōu)?V，此時電源模塊將不再輸出電壓，高壓模塊N1 斷路。儲能電容C1 將通過泄流電阻R2 進行放電，最終電容C1 兩端的電壓也降低為0V，放電的過程結束。此過程中mos 管電子開關始終處于斷路狀態(tài)。

1.2 RC電路充放電過程

上面所說的激勵源工作4 個過程，均是在RC 電路充放電的工作原理[3]上進行的。

在這里我們介紹一下RC 電路充放電原理，RC 電路充電的公式具體如下：假設，有源Vu 通過電阻R 給電容C 進行充電，V0是電容的初始電壓，Vu 則是電容充滿電后的電壓值，Vt 是任意時間電容的電壓值，則可以得到如下公式：

Vt=V0+（Vu-V0）*[1-exp(-t/RC)]

對于上電時，V0=0，則公式簡化為Vt=Vu*[1-exp(-t/RC)].

當t=RC 時，Vt=0.63Vu；

當t=2RC 時，Vt=0.86Vu；

當t=3RC 時，Vt=0.95Vu；

當t=4RC 時，Vt=0.98Vu；

當t=5RC 時，Vt=0.99Vu；

2 電路方案設計

2.1 提出方案

根據(jù)激勵源的工作原理以及過程，共提出三個可實施方案：

方案1：使用相同技術指標下，體積重量均較小的元器件進行替換。

方案2：在不改變工作狀態(tài)的情況下，對電路和元器件進行重新匹配和設計。

方案3：在不改變激勵源技術指標的情況下，降低激勵源所需功率等。

2.2 方案評估和選擇

方案1：使用相同技術指標下，體積重量均較小的元器件進行替換。小組成員對市場可買到的常用元器件的主要指標體積、重量、價格等進行了調查研究，尋找可替換元器件，以減小激光測距設備的體積和重量。由于電源模塊和電容的體積和質量受技術指標制約較大，小組成員從市場上未能找到體積和質量更小的同技術規(guī)格元器件。

方案2：在不改變工作狀態(tài)的情況下，對電路和元器件進行重新匹配和設計。即在原激勵源電路充放電功率等指標不變的情況下，以較小的功率、電壓、電容、電阻值等元器件替代原有器件。小組成員對原激光測距設備激勵源部分進行分解和討論，原激光測距設備激勵源部分充電過程為脈沖式，經理論計算，激勵源充能電路峰值功率為492W，激勵源上電的瞬間，由于儲能電容電壓為0，相當于0Ω 電阻，模塊此時相當于恒壓源，由歐姆定律可知：瞬時功率P峰值=U×U/R。

峰值功率P=57V*57V/6.6Ω=492W。

考慮到該設計將電源模塊的功率設定為500W 是相對比較合理的。為了與電源功率及充放電頻率等方面相匹配，選擇電容為10000μF、16J的能量，泄流電阻功率定位25W是合理的。如圖2所示。

通過分析得出結論：單從電源、電容、電阻等相匹配的角度對激勵源電路進行改進，是不可行的。

方案3：在不改變激勵源技術指標的情況下，降低激勵源所需功率等。

圖1：激光激勵源工作原理圖

圖2：激勵源充能電路等效電路圖

圖3

在技術指標不變的基礎上，降低激勵源所需的功率，從而達到減小激光測距設備重量的目的。由激勵源工作過程可知，激勵源充能電路的峰值功率將會出現(xiàn)在設備初上電充電過程中，瞬時功率P峰值=U×U/R。理論上說，在電源電壓不變的前提下，只要增加限流電阻R 的阻值，就能夠有效降低峰值的功率值。

小組成員通過對現(xiàn)有激光激勵源的實際測算發(fā)現(xiàn)，激勵源在上電瞬間的峰值功率（492W）是平均功率的50 倍，因此通過降低激勵源上電瞬間峰值功率的方法，減小元器件所需的功率等指標，不會對激勵源的工作過程造成太大影響。

在滿足激勵源功率需求的基礎上，對充電過程進行優(yōu)化，重新匹配電源、電阻、電容值從而降低充電過程峰值功率，以減小對元器件質量等的要求是可行的。但具體匹配過程等需要進一步的分析。

2.3 方案分解

如圖3所示。

2.4 方案細化

2.4.1 電路設計方面

由于激勵源充能電路的峰值功率將會出現(xiàn)在設備初上電充電過程中，瞬時功率P峰值=U×U/R。在理想電路中，電源電壓不變的情況下，只要增加限流電阻R 的阻值，就能夠有效降低峰值功率值。

方法一：直接增大限流電阻阻值。

但同時，由RC 電路的充放電過程中可知，電容充電時間將會隨著限流電阻R 增加而急劇增大（通常認為電容充滿電的時間為3RC）。對于激光測距機激勵源，要求RC 電路的充電過程必須小于激勵源的一個工作周期，僅靠增大限流電阻阻值的方法降低激勵預案的峰值功率，會大大增加激勵源充電時間，從而影響整個測距機的工作頻率。

綜合以上兩部分因素，考慮通過變電阻的方式平衡兩者之間的矛盾。即上電充電過程使用較大的限流電阻，之后減小充電電阻值，以降低工作充電時間，使之滿足激光激勵源工作頻率的要求。

方法二：采用滑動變阻器法改變限流電阻阻值。

方法三：采用撥碼開關和電阻器并聯(lián)法[4]改變限流電阻阻值。

在實際工程的應用中，由于滑動變阻器和撥碼開關均存在很多的不確定性，比如變阻器阻值和撥碼開關調整不方便等，小組提出了一種全新的設計來改變限流電阻阻值。

方法四：電子開關控制電阻通斷法改變限流電阻阻值。

面臨以上問題，小組成員經過分析和討論，提出用數(shù)字延時控制器替代圖3 中的撥碼開關部分，從而控制限流電阻阻值的變化。

由于激光激勵源需要提供100V/200A/200μs 的放電脈沖，將會對整個電路產生比較大的電磁干擾，在激光激勵源電路中數(shù)字電路當中是很難生存。為了減少這種干擾的影響，計劃采用光耦隔離的方式給數(shù)字電路提供生存空間。

經過調查，目前，還沒有類似方法應用于軍用激光測距領域的報道，所以這種創(chuàng)新的方式和方法還是比較可以達到預計效果，解決上面所述面臨的難題。

2.4.2 功率匹配性計算

測算激勵源放電電流、放電電壓和實際功耗，以確定充電電源、電阻和電容值等。

2.4.3 元器件選型與電裝

根據(jù)功率匹配行計算數(shù)據(jù)，確定電源模塊、電阻、電容的最大應用功率值等技術指標。以此為依據(jù)展開元器件選型工作。

表1：元器件選用表

2.5 確定最佳方案

通過上文所述，可以電子開關控制電阻通斷法改變限流電阻阻值是最佳方案。

3 應用情況和測試結果

實施一：電子開關控制電阻通斷法改變限流電阻阻值。

在滿足激勵源放電要求的情況下，且電源模塊、電阻、電容功率等指標較小，采取措施主要是測算激勵源功耗和進行電路設計。

（1）實際工作過程中，激勵源的放電壓降可認為是固定值。在本電路中，經過實際測算，激勵源壓降為5V。

（2）使用光耦隔離法防止電磁干擾對數(shù)字電路產生影響：

反復試驗表明，經過光耦隔離后，數(shù)字信號不易產生異變，能夠有效控制限流電阻的阻值。也就是說，通過電子開關控制電阻通斷法可有效改變限流電阻阻值。

實施二：功率匹配行計算

為提高電容利用率，將電源模塊電壓增加到85V。選擇電阻R1 阻值為850Ω，R2 阻值為100Ω，電源電壓85V。激勵源電路上電時，電子開關斷開，電阻R2 開路，峰值功率P峰值計算：

P峰值=U×U/R=85*85/850=8.5W

之后接通撥碼開關，R1 和R2 并聯(lián)，實際電阻值為：

R=R1*R2/(R1+R2)≈89.47Ω

實際工作過程中，激勵源的放電壓降可認為是固定值，在本電路中，激勵源壓降為5V。

激勵源放電后，可認為電容C 兩端剩余電源為80V,充電電流：

I=U/R=(85-80)/R ≈0.06A

此時的最大功率：

P=I2*R=0.06*0.06*89.47=0.32W

綜上所述，激勵源電路的最大功率為8.5W 遠小于之前的492W。也就可以得出結論：電源模塊、電容、電阻功率等指標滿足電路使用要求。

實施三：元器件選型

激勵源充能電路最大功率為8.5W，考慮到冗余要求，電源模塊功率應選擇10W 以上。工程應用中，實際測得激勵源電路總壓降為35V 左右，激勵源MOS 管驅動電壓應不小于35V，因此將電源模塊電壓由原先的58V 提高為85V。激勵源工作電路釋放電能Q=C*U 為定值（其中，C 為電容器電容，U 為電容器電壓），當電容兩端電壓升高時，電容器電容值可適當降低。可以看出，元器件選型符合要求。如表1所示。

實施效果確認：

對策實施后，小組成員對2020年3月-2020年5月對策的實施效果進行確認。

激光測距機的總重量由原來的1200g 縮減為現(xiàn)在的800g，減少了1/3，完成既定目標。

同時隨著對電源模塊和電容功率等要求的降低，激勵源電路體積也大幅減小，從而縮小了激光測距機的體積。

經濟效益：每臺激光激勵源成本降低了6000 元。

社會效益：此次設計改進，有效地減小了我所半導體激光測距機的重量和體積，提升了我軍的戰(zhàn)斗力，同時提高了我所產品的市場競爭力。

4 總結

本文從實際應用需求出發(fā)，提出了一種數(shù)字化激光激勵源的研制實現(xiàn)方案，成功的降低激光激勵源充電電路各元器件的質量和體積[5]，研制出了小型化的激光激勵源，取得非常良好經濟效益和社會效益。

通過本次研制方案，如果繼續(xù)有效的進行研制和應用，仍將有可能進一步降低激光激勵源充電電路各元器件的質量和體積，甚至可以減少二分之一，那將會更加有助于無人機技術的提升與發(fā)展，對我國的無人機技術提供更多技術支撐與保障。