微型集成化低功耗電光調(diào)Q電路的設(shè)計(jì)

唐 偉，鄭 杰，白 楊，胡遠(yuǎn)航，張志堅(jiān)，毛一江，趙才曲，唐中和，李慧

(西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

0 引言

電光調(diào)Q具有激光脈沖腔內(nèi)損耗低，輸出能量穩(wěn)定，控制精度較高等特點(diǎn)，還可以獲得穩(wěn)定可控的、高峰值功率、高重復(fù)頻率、窄脈沖寬度的激光，是目前使用最廣泛的一種調(diào)Q方式[1]。

不同的調(diào)Q晶體所需的電壓各不相同，為了能廣泛適應(yīng)多種調(diào)Q晶體，需要調(diào)Q電路的輸出電壓范圍寬且可調(diào)。影響激光器峰值功率的主要因素是激光器的電光效率，而電光調(diào)Q的開(kāi)關(guān)速度會(huì)嚴(yán)重影響電光效率。在激光形成過(guò)程中，如果電光調(diào)Q速度太慢，激光器的Q值達(dá)不到最大，損耗不是最小的狀態(tài)，將會(huì)嚴(yán)重影響腔內(nèi)光子提取效率，最終降低電光效率。另一方面，對(duì)于退壓式調(diào)Q，如果電光調(diào)Q速度太慢，當(dāng)在激光形成時(shí)，晶體上電壓還未退到零電壓，線偏振光會(huì)多次往返經(jīng)過(guò)晶體，最后變成橢圓的偏振光，在偏振片時(shí)將被部分反射還會(huì)產(chǎn)生漏光現(xiàn)象，也會(huì)降低電光效率。

高峰值功率激光器的激光脈寬一般需求在10 ns以上，對(duì)調(diào)Q速度的追求并不嚴(yán)格，一般要求在20～30 ns即可。

傳統(tǒng)產(chǎn)生電光調(diào)Q 脈沖常用的方法有：冷陰極觸發(fā)管調(diào)Q電路、脈沖變壓器法、雪崩三極管法、串聯(lián)式MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)開(kāi)關(guān)法[2]等。

冷陰極觸發(fā)管調(diào)Q電路體積較大，器件易老化，調(diào)Q邊沿大于70 ns，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。脈沖變壓器法電路不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且調(diào)Q電壓范圍寬且可調(diào)，因而在民用產(chǎn)品上被廣泛使用[3]。但其調(diào)Q邊沿一般大于40 ns，且磁飽和材料容易受到高、低溫的影響而導(dǎo)致調(diào)Q邊沿抖動(dòng)嚴(yán)重，另外其重復(fù)頻率也較低；基于多級(jí)串聯(lián)雪崩管驅(qū)動(dòng)的調(diào)Q電路邊沿一般小于10 ns，但電壓的可調(diào)范圍較窄，且對(duì)雪崩管的一致性要且較高，可靠性較低；串聯(lián)式場(chǎng)效應(yīng)管法通過(guò)串聯(lián)多支MOS管[4]來(lái)適應(yīng)各種電壓，調(diào)Q邊沿一般小于30 ns，重復(fù)頻率也可以較高。

傳統(tǒng)的串聯(lián)式場(chǎng)效應(yīng)管法電光調(diào)Q電路的高壓電源、高壓開(kāi)關(guān)兩部分一般分別獨(dú)立，多采用分立元器件搭建，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，常用的調(diào)Q電路尺寸可達(dá)120 mm×75 mm×35 mm；功耗一般功率超過(guò)20 W， 其驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步性難以保證，造成MOS開(kāi)關(guān)不同步問(wèn)題，嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致單只MOS管過(guò)壓擊穿[5]。由于器件多，線路長(zhǎng)，造成高壓區(qū)域分布較大，容易形成高壓擊穿，加大了絕緣處理的難度，對(duì)裝配人員安全造成威脅；傳統(tǒng)的調(diào)Q電路需要外部提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的超快沿(一般小于1 μs)來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓開(kāi)關(guān)電路，造成外部電路復(fù)雜，不能直接與系統(tǒng)控制電路的TTL電平簡(jiǎn)單適配[6]。

隨著以無(wú)人機(jī)、無(wú)人戰(zhàn)車、無(wú)人船為代表的無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)激光測(cè)距、照射類設(shè)備的體積、功耗、集成化、小型化都提出了更高的要求，本文目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種集成化高，體積尺寸小、功耗低、便于驅(qū)動(dòng)與調(diào)壓的電光調(diào)Q電路。

1 微型電光調(diào)Q電路組成

本文所述的調(diào)Q電路是一種用于高峰值功率激光器的微型低功耗集成化電光調(diào)Q電路，包括開(kāi)關(guān)電源電路、倍壓整流電路、高壓開(kāi)關(guān)、觸發(fā)電路等，其原理框圖如圖1所示。

圖1 微型電光調(diào)Q電路原理框圖

外部供電后，脈寬調(diào)制器啟動(dòng)輸出PWM脈沖信號(hào)[7]，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，高頻脈沖變壓器進(jìn)行升壓。經(jīng)倍壓整流電路整流后通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反饋，與基準(zhǔn)進(jìn)行比較后調(diào)整PWM脈沖信號(hào)的脈寬，直到得到穩(wěn)定預(yù)設(shè)的高壓值。當(dāng)外部TTL觸發(fā)信號(hào)上升沿來(lái)臨，將觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生快速的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)多路觸發(fā)脈沖變壓器隔離后產(chǎn)生4路快速驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使高壓MOSFET開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)快速同步打開(kāi)，最終形成納秒級(jí)高壓上升/下降沿。

2 單元電路

2.1 高壓電源控制電路

高壓電源控制電路如圖2所示，主要由脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、反饋環(huán)路組成。選用芯片TL494作為PWM型開(kāi)關(guān)電源集成控制器來(lái)提供矩形脈沖[8]，驅(qū)動(dòng)電路主要是將控制信號(hào)放大來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，反饋環(huán)路對(duì)輸出高壓采樣反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓的穩(wěn)定輸出。采用推挽式電路來(lái)驅(qū)動(dòng)后級(jí)的開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)管選用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)[9]，由于功耗較低，封裝采用TO-252；電路拓?fù)洳捎脝味朔醇そY(jié)構(gòu)方式。反饋環(huán)路采用高壓電阻分壓方式采樣，反饋回路通過(guò)磁耦進(jìn)行隔離反饋，使輸入、輸出不共地，隔離前后級(jí)電路。TL494可向外部提供Vref基準(zhǔn)電壓，外部可以通過(guò)電位器分壓取得設(shè)定電壓，與反饋回路的電壓一起送入TL494的反向誤差放大器，調(diào)制輸出PWM信號(hào)的脈寬，最終達(dá)到預(yù)設(shè)的輸出電壓。

圖2 高壓電源控制電路

TL494構(gòu)成的控制電路，TL494在正常工作時(shí)，14腳提供5 V的Vref基準(zhǔn)電壓；4腳為死區(qū)時(shí)間控制端；3腳是反饋輸入端(BH)，當(dāng)該引腳接收到故障信號(hào)時(shí)，迅速封鎖輸出脈沖，關(guān)斷MOSFET； 6腳的電阻Rt和5腳的電容Ct決定輸出脈沖頻率，頻計(jì)算等式如等式1所示。

f=1.1/(RT×CT)

(1)

2.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器是高壓開(kāi)關(guān)電源的最重要部分，在電路中作用為磁能轉(zhuǎn)換，電壓變換和絕緣隔離。當(dāng)高壓電源控制電路使功率開(kāi)關(guān)管高頻通斷時(shí)，恒定的直流電壓將被被轉(zhuǎn)換成方波電壓，并施加在高頻變壓器初級(jí)側(cè)，高頻變壓器進(jìn)行電磁能量轉(zhuǎn)換，再通過(guò)整流濾波電路可將變壓器二次側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成所需的電壓。

由于整體尺寸限制高頻變壓器設(shè)計(jì)為扁平小型化，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)為110 kHz附近。脈沖變壓器的磁芯材料選用鐵氧體[9]。由于輸出電壓較高，選用平面型多槽高頻變壓器，其多槽設(shè)計(jì)可以靈活繞制多圈繞組，可以有效防止升壓過(guò)高導(dǎo)致的匝間擊穿，骨架如圖3所示。初級(jí)電壓為12 V，次級(jí)電壓設(shè)計(jì)為600～800 V，初級(jí)繞組N1設(shè)計(jì)為15匝，次級(jí)繞組N2設(shè)計(jì)為600匝。

圖3 高頻變壓器

選用E型R2KB型鐵氧體磁芯磁性材料，采用聚砜材料作為骨架[10]，絕緣材料采用聚四氟乙烯，變壓器加工完成后應(yīng)整體抽真空，并采用低揮發(fā)性絕緣漆加熱灌封，保證其絕緣性，避免高壓擊穿現(xiàn)象。

2.3 倍壓整流電路設(shè)計(jì)

經(jīng)高壓電源控制電路、高頻變壓器后，在變壓器次級(jí)繞組得到高壓脈沖輸出，還需要經(jīng)整流濾波電路才能得到高壓直流電平。

整流器件、濾波器件是決定高壓開(kāi)關(guān)電源體積尺寸的主要因素[11]。電光晶體比如RTP(RbTiOPO_4，磷酸鈦氧銣)、LN(LiNbO3， 鈮酸鋰)等其電特性均表現(xiàn)為一個(gè)皮法級(jí)的小電容，負(fù)載很小。倍壓整流是利用二極管的整流和導(dǎo)引作用，將電壓分別貯存到與二極管并聯(lián)的電容上，然后把它們按極性相加的原理串接起來(lái)，得到較高的電壓，雖然其電流較小，但非常適合高壓小電流的應(yīng)用。因此可以通過(guò)倍壓整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的電壓輸出。

通過(guò)對(duì)高頻脈沖變壓器、整流濾波電路、負(fù)載電壓電流的設(shè)計(jì)分析，采用8倍壓整流電路能將高頻變壓器輸出的600～800V交流電壓整流到最高5 000 V的直流電壓。同時(shí)能有效壓縮高頻脈沖變壓器的體積，減小整流濾波電路元器件的耐壓壓力，使其尺寸可以有效減小。

整流濾波電路如圖4所示，其中用于倍壓整流電路的二極管，最高反向電壓為2 kV，整流電流平均值為5 mA，反向恢復(fù)時(shí)間小于100 ns，封裝為SMA/DO-214AC。高壓陶瓷電容具有耐直流高壓的特點(diǎn)，其中的低耗損高壓圓片具有較低的介質(zhì)損耗。倍壓整流電路使用的電容器容值為1 nF，耐壓值為2 kV。

圖4 倍壓整流電路

2.4 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

為了降低調(diào)Q電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能適應(yīng)TTL調(diào)Q信號(hào)直接觸發(fā)，這樣才有利于與整機(jī)控制系統(tǒng)配套使用。驅(qū)動(dòng)電路與控制電路之間用光耦進(jìn)行信號(hào)隔離傳遞。采用推挽驅(qū)動(dòng)電路作為脈沖變壓器單輸入初級(jí)的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)，多輸出的變壓器次級(jí)側(cè)和負(fù)載相連，通過(guò)對(duì)變壓器初級(jí)側(cè)的開(kāi)關(guān)器件控制，在負(fù)載上就能獲得理想的脈沖波形。

觸發(fā)電路設(shè)計(jì)必須保證串聯(lián)MOSFET的同步驅(qū)動(dòng)[12]。單輸入多輸出的脈沖變壓器可以很好地解決MOSFET驅(qū)動(dòng)不同步問(wèn)題，既保證了各個(gè)MOSFET的同步驅(qū)動(dòng)又實(shí)現(xiàn)了電路之間的電氣隔離。脈沖變壓器設(shè)計(jì)如圖5所示。脈沖變壓器選用鐵氧體作為脈沖變壓器的磁芯材料，原邊電壓12 V，變壓器的副邊設(shè)計(jì)為4組繞組輸出形式，輸出端U1、U2、U3、U4分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)4個(gè)MOSFET功率開(kāi)關(guān)管。每組電壓15 V，原、副邊變比為12:60。原邊采用隔直電容，提供重啟電壓，防止變壓器磁性飽和。采用推挽驅(qū)動(dòng)電路作為脈沖變壓器原邊的驅(qū)動(dòng)，能適應(yīng)TTL調(diào)Q信號(hào)直接觸發(fā)[13]。副邊選用多路信號(hào)同時(shí)觸發(fā)的方式，能夠穩(wěn)定可靠的使串聯(lián)的高壓MOSFET開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到開(kāi)通狀態(tài)。脈沖變壓器隔離了整個(gè)電路的高壓區(qū)和信號(hào)區(qū)，提高了電路的抗干擾能力和安全性。

圖5 多路高速脈沖觸發(fā)電路

2.5 高壓MOSFET開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)

功率MOSFET是單極型電壓控制器件，具有開(kāi)關(guān)速度快(納秒級(jí))、開(kāi)關(guān)損耗低、高頻特性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)損耗低、安全工作區(qū)寬、無(wú)二次擊穿問(wèn)題等顯著優(yōu)點(diǎn)。高壓MOSFET開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)要求工作電壓高，開(kāi)關(guān)速度快才能達(dá)到5 kV級(jí)電壓的快速開(kāi)關(guān)。選擇IXYS公司的Polar3TM系列具有專有的高壓封裝、高阻斷電壓、正溫度系數(shù)RDS(on)。選取1.5 kV耐壓的高壓MOSFET管作為主開(kāi)關(guān)管，其RDS(on)、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸都得到了有效降低。高壓MOSFET開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)如圖6所示， 4支MOSFET串聯(lián)后可滿足5 kV以內(nèi)的耐壓。

圖6 高壓MOSFET開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)

高壓MOSFET開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)快速導(dǎo)通才能有效保證Q開(kāi)關(guān)速度達(dá)到納秒級(jí)，因此在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)上應(yīng)保證觸發(fā)脈沖具有足夠快的上升與下降速度；為了使高壓MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，應(yīng)選擇較高觸發(fā)脈沖電壓，為了防止誤觸發(fā)，在其截止時(shí)應(yīng)該快速泄放柵源電壓；在高壓MOSFET開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的4支MOSFET各自的柵極與源極之間接一個(gè)齊納二極管，將柵極與源極之間的電壓鉗為到安全電壓來(lái)保護(hù)高壓MOSFET的柵極。另外，在高壓MOSFET的柵極與源極之間還應(yīng)并聯(lián)一只1 k的電阻，該電阻可為高壓MOSFET提供一個(gè)固定偏置，防止MOSFET誤觸發(fā)。為了均衡各只MOSFET上所承受的電壓，在每只MOSFET的源漏極級(jí)并聯(lián)10 MΩ高壓電阻進(jìn)行均壓。

表1 微型電光調(diào)Q電路主要性能參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

微型電光調(diào)Q電路電路采用FR-4 3 mm厚度PCB板材，有效提高絕緣性。電路測(cè)試完成后，將其裝入金屬殼體中并采用具有低揮發(fā)性的導(dǎo)熱灌封膠對(duì)微型電光調(diào)Q電路進(jìn)行整體灌封，保證其絕緣性，提高在高低溫、沖擊振動(dòng)、低氣壓下電氣可靠性，還可以有效降低其產(chǎn)生的電磁干擾。

測(cè)試平臺(tái)為采用鈮酸鋰(LN)晶體調(diào)Q的90 mJ燈泵激光器激光測(cè)距機(jī)、采用磷酸鈦氧銣(RTP)晶體調(diào)Q的100 mJ半導(dǎo)體激光器照射器。

測(cè)試主要設(shè)備為泰克TDS3052C-500M示波器、泰克P6015A高壓探頭、P6703B-1 GHz型光電探頭測(cè)[14]。

微型電光調(diào)Q電路高壓電源部分測(cè)試圖如圖7所示，圖7(a)為高壓電源啟動(dòng)波形，啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)過(guò)沖；圖7(b)為高壓電源紋波測(cè)試，紋波Vp-p小于10 V，處于較高水平。微型電光調(diào)Q電路整體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 高壓電源部分測(cè)試圖

該微型電光調(diào)Q電路用于激光器測(cè)試如圖8所示。圖8(a)為5 kV加壓波形，圖8(b)為5 kV退壓波形，圖8(c)為采用鈮酸鋰(LN)晶體調(diào)Q，90 mJ燈泵激光器激光測(cè)距機(jī)激光出光波形，圖8(d)為采用磷酸鈦氧銣(RTP)晶體調(diào)Q，100 mJ半導(dǎo)體激光器照射器激光出光波形。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該微型電光調(diào)Q電路，能在-40 ℃～+85 ℃環(huán)境下，穩(wěn)定可靠的工作，激光輸出能量穩(wěn)定，激光束散小、光束質(zhì)量高，能適于多種無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)用激光測(cè)距照射器。目前在軍用激光測(cè)距機(jī)/照射器上已廣泛應(yīng)用，具有體積小、功耗低、集成度高、可靠性高的特點(diǎn)。也可推廣到民用高功率激光器領(lǐng)域。

圖8 微型電光調(diào)Q電路試驗(yàn)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了一種能在-40 ℃～+85 ℃環(huán)境下，適用于超小型無(wú)人測(cè)距照射平臺(tái)的微型集成化低功耗脈沖激光器電光調(diào)Q電路，集成了高壓電源與高壓開(kāi)關(guān)，克服了傳統(tǒng)電光調(diào)Q電路驅(qū)動(dòng)復(fù)雜、功耗高、邊沿抖動(dòng)、可靠性低、體積大不利于小型化集成的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該微型電光調(diào)Q電路，能在-40 ℃～+85 ℃環(huán)境下，穩(wěn)定可靠的工作，激光輸出能量穩(wěn)定，激光束散小、光束質(zhì)量高，能適于多種無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)用激光測(cè)距照射器.