脉冲驱动电路、激光雷达前端发射电路

1.本发明涉及半导体电路领域，特别涉及一种高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路、激光雷达前端发射电路。


背景技术：

2.半导体激光二极管具有体积小、成本低、使用方便等特点，广泛的应用于光电产品中。尤其是在光通信和光测量领域。在激光通信领域，半导体激光二极管是将发射端的电信号转换为光信号的主要部件，几乎所有的光发射机都是使用半导体激光二极管。在光测量领域，半导体激光二极管广泛的应用于激光测距、激光扫描和激光雷达等领域。近几年由于无人驾驶技术的兴起，激光雷达成为测量领域的研究热点。脉冲激光发射电路作为其中的核心电路，其设计显得尤为重要。高功率的脉冲激光可以实现远距离的测量，但是为保证人眼的安全需对激光的平均输出功率加以限制，为提高测量距离并保证人眼安全需要提高激光功率的同时减小脉冲宽度。
3.现有脉冲激光驱动电路存在脉冲宽度比较宽、脉冲重复频率低、脉冲功率较低、驱动激光器个数少、切换速度慢的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例中提供一种高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路、激光雷达前端发射电路，不仅切换速度快，还可以扩展控制规模更大的激光二极管阵列，能广泛用于驱动高功率窄脉冲半导体激光二极管阵列。
5.第一方面，本发明提供一种用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，包括boost升压电路、ldo线性电源、栅极驱动器、n-mos开关管、脉冲变窄缓冲器和模拟多路复用器；
6.所述脉冲变窄缓冲器与所述模拟多路复用器电连接，所述模拟多路复用器与多个所述栅极驱动器电连接，每个栅极驱动器对应连接一个所述n-mos开关管，所述n-mos开关管用于连接外部的激光二极管；
7.所述ldo线性电源分别与所述模拟多路复用器、所述栅极驱动器和所述脉冲变窄缓冲器电连接并进行供电，所述boost升压电路与所述n-mos开关管电连接以使得所述n-mos开关管为所述激光二极管供电。
8.作为一种可选的方案，还包括外部电源，所述外部电源分别与所述ldo线性电源、所述boost升压电路电连接并供电。
9.作为一种可选的方案，所述栅极驱动器为8个，所述n-mos开关管为8个，所述n-mos开关管与所述栅极驱动器一一对应电连接。
10.作为一种可选的方案，还包括外部控制器，所述外部控制器分别与所述脉冲变窄缓冲器、所述模拟多路复用器电连接，所述外部控制器用于提供pwm方波激励信号，所述pwm方波激励信号输入所述脉冲变窄缓冲器进行脉宽调整后输出至所述栅极驱动器，所述栅极
驱动器驱动并控制所述n-mos开关管进行高速开关动作，以控制所述激光二极管输出脉冲激光；
11.所述模拟多路复用器基于所述外部控制器的选择信号进行输出通道的选择。
12.作为一种可选的方案，所述外部控制器为使用信号发生器、单片机或现场可编程逻辑门阵列fpga。
13.作为一种可选的方案，所述模拟多路复用器采用两个4选1多路复用器芯片组成。
14.第二方面，本发明实施例中提供一种激光雷达前端发射电路，包括如上述的用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路。
15.本发明实施例中提供的高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路及激光雷达前端发射电路，包括boost升压电路、ldo线性电源、栅极驱动器、n-mos开关管、脉冲变窄缓冲器和模拟多路复用器，所述脉冲变窄缓冲器8与所述模拟多路复用器电连接，所述模拟多路复用器与多个所述栅极驱动器4电连接，每个栅极驱动器对应连接一个所述n-mos开关管，所述n-mos开关管用于连接外部的激光二极管，所述ldo线性电源分别与所述模拟多路复用器、所述栅极驱动器和所述脉冲变窄缓冲器电连接并进行供电，所述boost升压电路与所述n-mos开关管电连接以使得所述n-mos开关管为所述激光二极管供电。可实现工作频率达100khz，输出脉冲4ns，峰值工作电流达30a的脉冲电流，既可以轮流控制8个不同波长的激光二极管的脉冲输出，不仅切换速度快，还可以扩展控制规模更大的激光二极管阵列，能广泛用于驱动高功率窄脉冲半导体激光二极管阵列。
附图说明
16.图1为本发明实施例中提供一种用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路的原理框图；
17.图2为本发明实施例中提供一种用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路中ldo线性电源电路的原理示意图；
18.图3为本发明实施例中提供一种用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路中boost升压电路的原理示意图；
19.图4为本发明实施例中提供一种用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路中高速栅极驱动器和mos开关管电路的原理示意图；
20.图5为本发明实施例中提供一种用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路脉冲变窄缓冲器电路的原理示意图；
21.图6为本发明实施例中提供一种用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路中模拟多路复用器的原理示意图。
22.附图标记：
23.1、外部电源；2、dc-dc boost升压电路；3、ldo线性电源；4、高速栅极驱动器；5、n-mos开关管；6、半导体激光二极管；7、外部控制器；8、脉冲变窄缓冲器；9、模拟多路复用器；
24.u10、asm1117-5.0芯片；power、电源连接座；u9、lm3478芯片；q9、tpca8016 n沟道功率mos管；d9、ss26fl肖特基二极管；l1、100uh功率电感；rp1、电位器；u1、lmg1025芯片；q1、epc2215 n沟道功率mos管；d1、dfls2100肖特基二极管；u16,u17,u18,u1274lvc1g04芯片；u19、74lvc1g08芯片；u11、adg704芯片；pwm-in、ipex同轴电缆连接座；select、激光器选
择连接座；rx、电阻；cx、电容。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
26.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
27.结合图1所示，本发明实施例中提供一种用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，包括boost升压电路2、ldo线性电源3、栅极驱动器4、n-mos开关管5、脉冲变窄缓冲器8和模拟多路复用器9；
28.所述脉冲变窄缓冲器8与所述模拟多路复用器9电连接，所述模拟多路复用器9与多个所述栅极驱动器4电连接，每个栅极驱动器4对应连接一个所述n-mos开关管5，所述n-mos开关管5用于连接外部的激光二极管6；
29.所述ldo线性电源3分别与所述模拟多路复用器9、所述栅极驱动器4和所述脉冲变窄缓冲器8电连接并进行供电，所述boost升压电路2与所述n-mos开关管5电连接以使得所述n-mos开关管5为所述激光二极管6供电。
30.需要说明的是，这里提到的激光二极管6并不必须是本发明实施例提供的驱动电路中的一部分，这里引出为了方便说明连接关系，下文不做赘述。
31.在一些实施例中，还包括外部电源1，所述外部电源1分别与所述ldo线性电源3、所述boost升压电路2电连接并供电，需要说明的是，这里提到的激光二极管6和外部电源1均不必须是本发明实施例提供的驱动电路中的一部分，这里引出为了方便说明连接关系，下文不做赘述。
32.本发明实施例中提供的用于高功率半导体激光二极管6阵列的纳秒级脉冲驱动电路中，外部控制器7与脉冲变窄缓冲器8电连接，n-mos开关管5与激光二极管6电连接，栅极驱动器4与n-mos开关管5电连接，脉冲变窄缓冲器8与栅极驱动器4电连接，ldo线性电源3与栅极驱动器4和脉冲变窄缓冲器8电连接，boost升压电路2与mos开关管5电连接，外部电源1与boost升压电路2和ldo线性电源3电连接，上电后，外部控制器7给本驱动电路提供一个pwm方波激励信号，例如100ns@100khz，pwm方波激励信号送入脉冲变窄缓冲器8，变为脉宽为2ns-10ns，具体脉宽由电路设置情况决定，本实施例中输出脉宽设置为3.7ns，3.7ns的脉宽输入栅极驱动器4来驱动n-mos开关管5，控制n-mos开关管5的高速开关动作从而控制激光二极管6输出脉冲激光。ldo线性电源3将外部电源1电压降压为5v，为脉冲变窄缓冲器8和
栅极驱动器4供电，boost升压电路2将外部电源1电压升压为20v-50v为激光二极管6供电，调节输出电压可以控制脉冲激光的输出功率。
33.需要说明的是，根据需要驱动的激光二极管的个数确定栅极驱动器和n-mos开关管的数量，以及模拟多路复用器9的通道数量，本实施例中，用来驱动8个激光二极管，则可以选用栅极驱动器为8个，相应地n-mos开关管为8个，所述n-mos开关管与所述栅极驱动器一一对应电连接，模拟多路复用器9的通道选择8通道，也可以进行多个复用器的组合，此处不做限定。
34.本实施例中，所述模拟多路复用器9采用两个4选1多路复用器芯片组成，可以驱动一个8管的激光二极管阵列，8个激光二极管的输出波长各不相同，轮流导通，输出的脉冲激光通过光栅实现光线的偏转，可以适用于固态激光雷达扫描成像场景。
35.在一些实施例中，还包括外部控制器7，外部控制器7为驱动电路提供脉冲激励源，即提供pwm方波激励信号，脉冲频率最高可达100khz，pwm方波激励信号的脉冲宽度为任意大小，外部电源1为驱动电路提供直流电源，输入要求dc 8v-16v，电流》2a即可，外部控制器分别与所述脉冲变窄缓冲器、所述模拟多路复用器9电连接，所述外部控制器用于提供pwm方波激励信号，所述pwm方波激励信号输入所述脉冲变窄缓冲器进行脉宽调整后输出至所述栅极驱动器，所述栅极驱动器驱动并控制所述n-mos开关管进行高速开关动作，以控制所述激光二极管输出脉冲激光，所述模拟多路复用器9基于所述外部控制器的地址选择信号进行输出通道的选择，外部控制器不必须是本发明实施例提供的驱动电路中的一部分，这里引出为了方便说明连接关系，下文不做赘述。
36.在一些实施例中，所述外部控制器为使用信号发生器、单片机或现场可编程逻辑门阵列fpga，本实施例中外部控制器选用信号发生器。
37.为了方便对本发明实施例中提供的用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路中ldo线性电源3、boost升压电源2、栅极驱动器4、n-mos开关管5、脉冲变窄缓冲器8以及模拟多路复用器9的电路模块进行理解，下面分别针对每一个电路模块进行详解展开介绍。
38.结合图2所示，对于ldo3线性电源的结构进行展开介绍，其中，ldo线性电源3采用asm1117-5.0(u10)将输入电压8v-16v降为5v电压，为相关数字电路提供稳定的5v电源，图2中power为8v-16v电源(vin)的连接端子，电容c45用来减小输入电源(vin)的波动，电容c46和c47为输出电压的滤波电容，电阻r40用来连接功率地(pgnd)和信号地(gnd)。
39.结合图3所示，boost升压电路用来给半导体激光二极管提供较高驱动电压，boost升压电路lm3478(u9)可以为德州仪器(ti)的dc-dc升压转换控制芯片，需外接n-mosfet来组成boost升压电路。图3中开关管(q9)、肖特基二极管(d9)、功率电感(l1)、电容组成基本的boost电路拓扑。电阻r39为电流取样电阻，这里将输出电流设定为200ma，通过计算电阻r39的值设定为100mω，lm3478(u9)的3脚fb用来设置输出电压，由电阻r34和电位器rp1组成，fb上的电压为1.26v，则输出电压公式为：
[0040][0041]
其中v
fb
为fb上的电压，为1.26v，通过调节rp1即可调节输出电压，及调节半导体激光二极管的输出功率。boost升压电路lm3478(u9)的2脚comp为补偿引脚，添加一个电阻，电
容器组合连接到这个引脚提供补偿的控制回路，具体参数可以在芯片手册中查阅计算公式来得到。电容(c40、c41、c42、c43)同时也是储能电容，脉冲激光二极管的高功率脉冲就是利用电容的瞬间放电提供大电流来实现的。下面进行一下理论计算，假设boost升压电路输出电压为50v，需要在半导体激光二极管上提供30a，5ns的脉冲电流，则需要的电荷量为：
[0042]
△
q＝i
·
△
t＝30a
·
5ns＝1.5
×
10-7c[0043]
瞬间放电引起的输出电压变化为：
[0044][0045]
则瞬间放电引起的输出电压变化为0.08v，相比于50v的输出电压变化量为0.16％，对电源波动影响可以忽略。
[0046]
结合图4所示，其中示出了栅极驱动器4和n-mos开关管5的电路原理示意图，图中栅极驱动器lmg1025(u1)为德州仪器(ti)的高速栅极驱动器，可实现2.5ns的极快传播延迟和1ns的最小脉冲宽度。栅极驱动器lmg1025(u1)的1引脚为脉冲信号正输入引脚，3为电源输入引脚，2为地引脚，图中电容c1、c3为滤波电容。6引脚为脉冲信号负输入端(在本电路中接地)，输出端4和5通过0欧电阻连接到n-mos开关管epc2215(q1)的栅极。n-mos开关管epc2215(q1)采用宜普能源转换公司(epc)的氮化镓场效应管epc2215，氮化镓场效应管比硅场效应管具有更高的开关速度，很适合高速开关应用。n-mos开关管epc2215(q1)的2脚连接信号地(gnd)，4、6脚连接功率地(pgnd)，这样在mos管附近形成共地，以防止功率地(pgnd)上大电流导致电位升高对信号地(gnd)的影响。肖特基二极管(d1)用来抑制反向电动势，电阻(r1、r2)可以快速释放半导体激光二极管中的电荷，加快关断速度，同时在电路不工作时将半导体激光二极管的正负极连接到一起，防止pn结由于外界静电而导致击穿，起到保护半导体激光二极管的作用。电容(c5、c6)焊接在半导体激光二极管附近，起到滤波和储能的作用。焊盘an和ka1分别连接半导体激光二极管的正极和负极。
[0047]
结合图5所示，其中示出了脉冲变窄缓冲器8的电路原理示意图，脉冲变窄缓冲器采用门电路的传播延时来实现，本实施例中采用德州仪器(ti)的单非门芯片74lvc1g04(u16、u17、u18)来实现，脉冲变窄缓冲器74lvc1g04在室温5v电源电压下的传播延时为2.5ns，并且延时一致性比较好。本实施例中脉冲变窄缓冲器使用了3个74lvc1g04，可以根据延时时长需要选择性的焊接所需74lvc1g04的个数。3个74lvc1g04的传播延时为7.5ns，由于脉冲波形为尖峰状波形，按照波形的半高宽来计算脉冲宽度，3个74lvc1g04传播延时的半高宽约为3.7ns。采用奇数个非门(74lvc1g04)时，需要连接与门逻辑才能得到窄脉冲信号，这里采用德州仪器(ti)的单与门芯片74lvc1g08(u19)来实现窄脉冲信号输出；当采用偶数个非门(74lvc1g04)时，需要连接异或门逻辑才能得到窄脉冲信号，可以采用德州仪器(ti)的单异或门芯片74lvc1g86来实现窄脉冲信号输出。脉冲变窄缓冲器中电容(c52、c53、c54、c55)为芯片的去耦电容，每个逻辑芯片的电源旁路焊接一颗。电阻r41为下拉电阻，防止没有没有信号输入时由于引脚浮空导致mos开关管导通而烧毁半导体激光二极管。pwm-in为ipex屏蔽电缆连接座，用于连接激励脉冲。
[0048]
结合图6所示，其中示出了模拟多路复用器9的电路原理示意图，本实施例中，模拟多路复用器9采用两个亚德诺半导体(adi)公司的4选1多路复用器芯片adg704来实现8个激光二极管6的驱动，一路脉冲信号(pulse_in)可以输出选择为8路脉冲输出信号(pulse_
out1～pulse_out8)。非门u12用于选择芯片u11和u13，并且与u11和u13的地址引脚组成3位地址(inc、inb、ina)。控制这3个引脚的电平值可以确定输出通道，由于adg704的通道切换速度小于50ns，可以实现50ns范围内的快速切换。
[0049]
本发明实施例中提供的高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，包括boost升压电路2、ldo线性电源3、栅极驱动器4、n-mos开关管5、脉冲变窄缓冲器8和模拟多路复用器9，所述脉冲变窄缓冲器8与所述模拟多路复用器9电连接，所述模拟多路复用器9与多个所述栅极驱动器4电连接，每个栅极驱动器4对应连接一个所述n-mos开关管5，所述n-mos开关管5用于连接外部的激光二极管6，所述ldo线性电源3分别与所述模拟多路复用器9、所述栅极驱动器4和所述脉冲变窄缓冲器8电连接并进行供电，所述boost升压电路2与所述n-mos开关管5电连接以使得所述n-mos开关管5为所述激光二极管6供电。可实现工作频率达100khz，输出脉冲4ns(2ns-10ns可选)，峰值工作电流达30a的脉冲电流，既可以轮流控制8个不同波长的激光二极管的脉冲输出，不仅切换速度快，还可以扩展控制规模更大的激光二极管阵列，能广泛用于驱动高功率窄脉冲半导体激光二极管阵列。
[0050]
相应地，本发明实施例中提供一种激光雷达前端发射电路，包括如上述的用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，能广泛用于驱动高功率窄脉冲半导体激光二极管阵列，可以适用于固态激光雷达扫描成像场景下。
[0051]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，其特征在于，包括boost升压电路、ldo线性电源、栅极驱动器、n-mos开关管、脉冲变窄缓冲器和模拟多路复用器；所述脉冲变窄缓冲器与所述模拟多路复用器电连接，所述模拟多路复用器与多个所述栅极驱动器电连接，每个栅极驱动器对应连接一个所述n-mos开关管，所述n-mos开关管用于连接外部的激光二极管；所述ldo线性电源分别与所述模拟多路复用器、所述栅极驱动器和所述脉冲变窄缓冲器电连接并进行供电，所述boost升压电路与所述n-mos开关管电连接以使得所述n-mos开关管为所述激光二极管供电。2.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，其特征在于，还包括外部电源，所述外部电源分别与所述ldo线性电源、所述boost升压电路电连接并供电。3.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，其特征在于，所述栅极驱动器为8个，所述n-mos开关管为8个，所述n-mos开关管与所述栅极驱动器一一对应电连接。4.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，其特征在于，还包括外部控制器，所述外部控制器分别与所述脉冲变窄缓冲器、所述模拟多路复用器电连接，所述外部控制器用于提供pwm方波激励信号，所述pwm方波激励信号输入所述脉冲变窄缓冲器进行脉宽调整后输出至所述栅极驱动器，所述栅极驱动器驱动并控制所述n-mos开关管进行高速开关动作，以控制所述激光二极管输出脉冲激光；所述模拟多路复用器基于所述外部控制器的选择信号进行输出通道的选择。5.根据权利要求4所述的用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，其特征在于，所述外部控制器为使用信号发生器、单片机或现场可编程逻辑门阵列fpga。6.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，其特征在于，所述模拟多路复用器采用两个4选1多路复用器芯片组成。7.一种激光雷达前端发射电路，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的用于高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路。

技术总结
本发明实施例中提供的高功率半导体激光二极管阵列的纳秒级脉冲驱动电路，应用于激光雷达前端发射电路，包括BOOST升压电路、LDO线性电源、栅极驱动器、N-MOS开关管、脉冲变窄缓冲器和模拟多路复用器，所述脉冲变窄缓冲器与模拟多路复用器电连接，模拟多路复用器与多个栅极驱动器电连接，每个栅极驱动器对应连接一个N-MOS开关管，N-MOS开关管用于连接外部的激光二极管，LDO线性电源分别与所述模拟多路复用器、栅极驱动器和脉冲变窄缓冲器电连接并进行供电，BOOST升压电路与N-MOS开关管电连接以使得N-MOS开关管为激光二极管供电，不仅切换速度快，还可以扩展控制规模更大的激光二极管阵列，能广泛用于驱动高功率窄脉冲半导体激光二极管阵列。二极管阵列。二极管阵列。


技术研发人员：陶敏 刘梓键 宋俊峰 高帧
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2022.12.24
技术公布日：2023/8/5