高性能大电流脉冲电源的设计与实现曹海源胡婷婷韦尚方万强孙斌卢常勇（武汉军械士官学校光电技术研究所，湖北武汉 430075）摘要 本文针对高功率脉冲DPSSL对激光电源的要求，综合运用了ARM7单片机控制技术、串联VICOR模块可调稳压源、IGBT功率器件及各种保护电路，设计并实现了小型、高效的半导体泵浦激光器驱动电源，具有电压调节范围宽、峰值电流高、控制精度高、良好的稳定性和高低温环境适应性等特点。

测试表明：电源整机运行稳定可靠，达到了很高的技术指标要求，可广泛应用于军用激光测距、激光雷达、激光对抗等领域。

关键词 驱动电源；ARM7；电流脉冲；IGBT；VICOR模块中图分类号 TN248.4 文献标识码 BDesign and Realization of High Performance and Strong Current Pulse Power Supply Cao,Hai-yuan Hu,Ting-ting Wei,Shang-fang Wan,Qiang Sun,Bin Lu,Chang-yong(Opto-electronics Facility, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers School,Wuhan, Hubei, 430075, P.R.China)Abstract: In this paper, according to the request of the high power pulse DPSSL, we design and implement a compact, high efficiency power supply for DPSSL, which combines the control technology of ARM7 MCU, tunable voltage stabilizer using VICOR modules in series structure, IGBT power components, closed loop adjusting circuit, and various protective measures. It is specified as wide tuning range of the voltage, high peak current, high control precision, high stability, high adaptability to the high-low temperature, and so on. Test and measurement results show that our power supply operates steadily and reliably, and well meets the request of the performance index in the project. It can be widely applied in military laser rangefinder, Lidar, laser counterwork, and so on.Keywords: power supply; ARM7; current pulse; IGBT;VICOR module1 引言DPSSL（Diode Pumped Solid-State Laser）出现于八十年代末，与传统的灯泵固体激光器相比，它具有效率高、寿命长、结构紧凑、稳定性高等特点，广泛应用于军事、航空航天等领域中。

我国从九十年代中期也开始把DPSSL作为激光应用领域的一个新方向来重点研究。

而作为DPSSL的泵浦源，大功率半导体激光器对驱动电源的要求非常苛刻，不仅要提供几十甚至上百安培的电流，而且要求电流非常稳定可靠。

驱动电源已经成为DPSSL在各个领域应用的核心技术，近几年来一直是人们研究的热点。

本文的任务是研制DPSSL中大功率半导体激光器的脉冲驱动电源，根据系统的要求，电源输出电压为100V～200V连续可调，峰值电流为40A～80A连续可调，工作频率为5Hz～40Hz可调，脉宽为150us～300us可调，脉冲前后沿转换时间小于10 us，频率精度小于0.1％。

同时，对驱动电源的保护机制和体积都有一定的要求。

2系统设计原理脉冲电源的工作原理如图1所示，它由DC-DC变换、直流可调稳压控制、脉冲电流生成、稳流控制等部分组成。

本文的输入为24V的低压直流电源，工作电流达6A，可以采用功率匹配的直流稳压电源，也可采用聚合物锂电池。

DC-DC变换模块和电压调节电路将该直流低压逆变成100V～200V的直流高压，再采用特定的功率开关器件及其控制电路将直流高压变成所需脉宽及频率的电流脉冲，最后通过稳流控制电路完成对脉冲电流的稳流和整形，使其波形特征符合性能指标要求。

·3 系统硬件设计 由对工作原理的分析，本文提出了具体的设计方案，如图2所示，其硬件构成及功能如下：3.1 VICOR 电源模块稳定可靠的直流电压源是产生优质脉冲的前提条件。

经过调研，本方案采用目前技术成熟的V24C48T100BL 型VICOR 模块来实现电压变换。

模块内部电压变换采用DC-DC 转换器实现，具有体积小、效率高的特点。

其设定电压精度达±1％V out ，线压稳定度达±0.02％V out ，温度漂移低至±0.002％V out/℃，效率高达85％。

单个模块的额定电压是48V ，电压可调范围是10%-110%。

本方案采用5块VICOR 串联实现，必须考虑各个模块的电压均衡问题，否则极易导致个别模块负载过大而烧毁，从而引起一连串的器件损坏。

根据对VICOR 模块的原理分析可知，当输入电压一定时，其输出电压的大小受控于从其控制端输入的控制电流的大小。

本文采用了光耦器件来保证各模块控制电流注入的平衡。

即将5个同型号的光耦初级端口串行连接，通过三端稳压器件和精密电位器调整初级的电流，经过光电转换，在次级产生的电流去控制VICOR 模块的输出端电势差。

光耦器件的使用极大地提高了模块的抗干扰能力及环境适应性，实验证明，在高低温条件下，均能很好地控制VICOR 模块输出电势的大小，克服了使用一般器件的局限性。

为了提高电压控制的稳度，可从较低电势的模块输出端进行电压采样，利用负反馈来稳定光耦初级的电流调节。

同时，本文还采取了相应的保护措施对每个模块进行保护，以免当单个模块的控制电路工作不正常时被灌入电流所烧毁，有效地保护了贵重器件。

3.2 脉冲电流生成模块激光器负载要求电流大，而且要有很高的电流稳定度和很小的纹波系数，对大功率开关器件提出了很高的要求。

在本方案里采用绝缘栅极双极晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar 图1 驱动电源工作原理图图2总体设计方案Transistor)来实现。

IGBT是一种新型的复合器件，它把MOSFET的输入阻抗大、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，具有输入阻抗高、工作速度快、通态压降低、阻断电压高、承受电流大等特点。

本方案里选用的GT30J301型IGBT额定电流为30A，耐压值达600V，采用两片并联结构及相关电路可扩大电流，以满足负载需求。

图3驱动单元比较、放大与校正环节电路IGBT的驱动单元电路的设计非常关键，直接关系着电流波形的特性。

驱动单元接受来自CPU的DAC输出及PWM输出信号，经过驱动及功率放大后送至IGBT的控制端。

驱动单元的误差比较、放大、PID校正电路如图3所示。

控制单元所产生的幅度信号及频率脉冲信号通过信号合成电路，合成一个既包含幅度又包含频率的整体控制信号。

这一控制信号就作为基准信号送到了驱动单元的Vic端。

Vis为反馈输入端，其信号来自负载的电流采样。

其中U1构成差动放大器，输出为控制信号与电流取样信号的差值；U2和U3构成放大、PID 校正环节，以提高系统的稳态性能和动态性能。

3.3 实时控制单元及外围电路本方案里选用LPC2138处理器，负责监控键盘的输入、系统状态的显示、周期脉冲信号的产生及与外部的通信等任务。

它采用ARM7TDMI-S 处理器核，是ARM 通用32 位微处理器家族的成员之一，片内资源丰富，具有实时性好、可靠性高、功能完备、功耗小等优点。

同时，LPC2138具备JTAG仿真调试和ISP编程功能，便于开发调试。

采用22.1184M外部晶振，通过CPU内部PLL电路将系统时钟两倍频，一个机器周期对应22.6nS。

处理器内部含有一路10位逐次比较型DAC，分析表明，它完全能满足本系统的设计需求，无需扩展专门的数模转换模块，简化了硬件设计。

键盘电路的设计采用行列方式，由两条I/O线组成行输入口，8条IO线组成列输出口，在行列的每一个交点上，设置一个按键。

读健的方法采用扫描方式，即输出口按位轮换输出低电平，在从输入口读入健信息，最后通过软件方法获得键码。

系统中要显示的信息有电流值、频率值、工作时间、工作状态及操作方面的提示信息等。

在本系统中采用2个四位数码管显示器（LED）来实现，与CPU的连接采用SPI接口，连线简单，传输可靠，占用系统资源少。

3.4 保护电路如果半导体激光器中通过的电流超过额定的限度，将会导致激光器的损坏。

在本设计中，过流保护电路采用取样电阻、稳压二极管及比较器LM319来实现。

当注入激光器的电流大于80A时立即作过流处理。

在瞬时电流没有超过所允许的电流上限时，过高的工作频率及过大的脉冲宽度会导致平均电流过大，也会损坏激光器，因此，本文采用可重复触发的多谐振荡器74LS123、D型触发器74LS74及一些门器件设计了过频率和过脉宽保护电路，当电流脉冲控制信号频率大于40Hz及脉宽大于300us时能实现对后级驱动电路的封锁。

由于保护电路均是采用高速器件实现，无须程序指令控制决策，故保护动作即时可靠。

4 系统软件设计CPU通过控制指令完成对硬件系统的控制，主要负责周期脉冲信号的产生、数模转换及工作参数的设定、显示等。

另外，系统的PWM脉冲输出以及DAC输出也是通过软件来控制和实现的。

如图4所示，可以把主CPU的工作过程分为四个状态：初始态、预置态、工作态、保护态。

图4 系统软件流程图（1）在初始态，单片机进行初始化的一般操作，包括LED显示清空、DAC输出抑制、PWM输出抑制、读取历史参数值等，若“启动/停止”健被按下，单片机按历史参数设置转入工作态，若“参数设置”键被按下，则转入预置态。

（2）在预置态，可以对各项参数进行调节，并实现将新的设置信息进行存储，方便下次开机使用。