高功率纳秒级激光二极管高侧驱动电路

金明泽,王 臣,朱 福,杨信诚,李智冰,赵晓琛,何伟基,张闻文

(南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094)

1 引 言

三维深度信息的高速、高精度感知是导航、避障和无人驾驶等领域的关键和难点。

多线扫描激光雷达具备测量速度快、探测距离远、测量精度高等优点,是一种用于三维深度信息感知的重要设备,是无人驾驶环境感知的极佳解决方案。

有的多线激光雷达通过多块单线电路板堆叠的形式实现多线扫描,该方式存在体积大的缺点[1]。有的采用分光元件把单束光分成多束光来实现多线扫描,该种方法会造成单束光能量大大减弱,探测距离有限。针对上述情况,采用二极管激光器线性阵列作为发射系统会是不错的选择。多线激光器工作方式有同时发光和多线轮流发光。工作在同时发光模式一方面对电源系统要求较高,另一方面不同通道之间回波信号可能会存在串扰,而轮流发光模式不存在这些问题。

二极管激光器注入一个大于阈值的电流脉冲,它会输出一个光脉冲;光脉冲功率与注入电流呈线性关系[2]。光脉冲有两个主要参数,脉冲宽度和峰值功率,这两个参数分别对距离分辨率和探测距离产生重要影响[3-5]。因此设计一个窄脉宽、大电流激光二极管驱动电路十分重要。

激光二极管的开关驱动电路具有可调节脉冲宽度,低电压源的优势;激光二极管的谐振驱动电路具有窄脉宽,大电流的特点,是最常见的驱动方式[5-8]。Mohamed等人使用高压Si-IPD(硅集成无源器件)与嵌入式沟槽电容器,最大限度地减少回路寄生电感,实现激光器峰值功率达到140 W,脉冲宽度小于1ns[8]。Arslan等人利用电源电压的瞬时升压来克服导线的寄生电感,同时将功率开销降至最低[9]。此外,一些研究人员提出使用宽带隙器件,如GaN HEMT用于激光驱动器,因为它们具有更短的开关时间、恢复时间,更低的开关损耗,更高的开关频率[5,10-12]。上述提到的设计都是针对单线激光发射系统,并且能够应用于多线共阳极二极管激光器。但是市场上能买到的欧司朗、埃塞利达的4线、新亮光子的8线、16线二极管激光器都是共阴极的,他们的驱动方法并不适用。

本文在传统低侧栅极驱动电路的基础上设计了一种激光二极管高侧驱动电路,能够产生纳秒级高峰值功率光脉冲,适用于多线激光雷达的共阴极激光发射系统。

2 采用高侧驱动拓扑结构原因

常见的脉冲激光器驱动电路一般都是采用低侧栅极驱动器和GaNFET产生大功率纳秒级的激光脉冲,如图1所示。其中Vin是高压电源,R1是限流电阻,限制Vin流过激光二极管的电流在受激辐射阈值以下,C1是小容值储能电容。当驱动信号低电平时,栅极驱动器输出低电平控制GaN开关Q1断开,高压电源通过充电回路I1给储能电容C1充电到高压电源值。当驱动信号高电平时,栅极驱动器控制开关Q1导通,C1储存的电荷在极短的时间内通过电流路径I2放电,激光二极管发出高功率窄脉宽的光脉冲。通过控制开关Q1的导通关断,电路不停的充放电,产生高频率的光脉冲,该种驱动方式为激光二极管的谐振驱动方式[6]。当R1为0时,C1容值较大时,开关Q1导通,回路如I3所示,直接通过电源Vin为激光器二极管提供大电流,这种驱动方式是激光二极管开关驱动方式。该工作模式下光脉冲宽度可以通过控制开关的导通时间控制[5,8]。

图1 激光二极管低侧栅极驱动电路

共阴极激光二极管要想工作在轮流发射模式,栅极驱动器只能放置在激光器的高侧(阳极),如图2所示。

图2 共阴极激光二极管驱动电路

选取一线进行分析,如图3所示,其中R1为限流电阻,L1、L2为回路寄生电感,R2为回路寄生电阻。开关Q1断开时,储能电容C1充电。开关Q1导通时,存储在C1中的电荷通过放电回路I2快速放电,高的di/dt在电感L2的两端产生大的电压,而且激光二极管存在大的导通压降,这两者抬升了开关Q1源极的电压到一个比较大的值。而低侧栅极驱动器输出到Q1栅极的高电平是稳定的,这就造成了随着I2回路的放电,VGS(Q1栅极和源极的电压差)快速下降,Q1提前关断,甚至反向击穿。Q1提前关断,会造成回路没有充分放电,产生不了大电流脉冲。而半桥驱动器高侧输出具有电压浮动的特点,可以免受电压抬升的影响。

图3 高侧激光二极管驱动电路

TI的LM5113、安森美的NCP51820高性能半桥驱动器最小输入脉冲宽度为10 ns,如果采用激光二极管开关驱动模式,光脉冲宽度最小只能达到10 ns,比较宽。因此本文采用半桥驱动器和两个高速GaN作为核心器件控制激光二极管工作在谐振模式下,如图4。当控制信号进入半桥驱动器,控制Q2导通,Q1断开时,I1回路给储能电容C1充电;在I3回路中,5 V电源通过二极管D1给自举电容C2充电。半桥驱动器控制Q1导通,Q2断开时,自举电容C2中储存的电荷会使HO、HS之间维持恒定电压差,HS端电压会随着开关Q1源极电压的变化而变化,免受电压抬升的影响始终维持Q1导通。C1中储存的电荷能够通过I2回路充分快速放电,产生高功率纳秒级脉冲。本文的半桥驱动器选用TI的LM5113。开关Q1、Q2选用EPC2204(GaN)具有极小的导通电阻和栅极电荷,极快的开关速度。其中Q2对开关导通速度要求不高,可以选用普通的开关管。半导体激光器选用OSRAM的905 nm边缘发射激光器(EEL)SPL S1L90A_3 A01,具有高功率、高电光转化效率的特点。Vin使用boost电路由5 V升到80 V,R1为300 Ω,C1为500 pF。

图4 激光二极管高侧驱动电路

3 驱动电路拓扑结构分析

对图4回路I1进行分析,当Q1断开,C1从0开始充电,设电容两端瞬时电压为uC1(t),有:

(1)

在t=0时,uC1(0)=0,可以解得:

(2)

τ=R1·C1为电容充电的时间常数,当充电时间大于5R1C1,电容充到99 %以上,可以认为已经充满电[12]。充电时间常数越小,二极管激光器所能达到的重复频率就越大,当R1为300 Ω,C1等于500 pF时,可以达到1.33 MHz的重复频率。

对回路I2进行分析,该电路是RLC放电电路。假设激光二极管是一个理想二极管,存在固定的导通压降UDL1=11 V,开关Q1是理想开关。当Q1导通放电时,回路满足基尔霍夫定理,有[1,5]:

uC1(t)=uL(t)+uR2(t)+UDL1

(3)

设瞬时电流为i(t),有:

(4)

Q为电容C1充电时储存的电荷,令L=L1+L2,把式(4)代入式(3),之后两边求导,整理后有:

(5)

阻尼系数λ为:

(6)

为了获得窄脉冲宽度和高峰值功率的激光脉冲,RLC放电电路必须工作在欠阻尼条件下,即λ<1。

式(5)的初始条件为:t=0,i(0)=0,uL(0)=Vin-UDL1。解得激光二极管内的放电电流如下:

(7)

运用上式对放电回路进行分析,回路寄生电感估计值为4 nH,寄生电阻估计值为0.1Ω,波形如图5所示。可以发现谐振电流反复震荡,不仅存在多个电流峰值,还存在很大的反向电流。因此开关Q1应该在发射一次光脉冲之后及时关断,减少二次脉冲对测距精度的影响。在激光二极管旁边反向并联续流二极管引导反向电流,保护激光器免受反向电流的作用。续流二极管可以串连上一个小电阻,使反向电流快速衰减。

图5 激光二极管的谐振电流曲线

对式(7)进行求导,可以求得峰值电流对应的时间tp:

(8)

把式(8)带入式(7),得峰值电流:

(9)

代入参数计算可得峰值电流为23.73 A。根据式(7),可以求得脉冲半高宽tw近似等于:

tw=2π/3β

(10)

脉冲宽度与电压无关,代入参数可得脉冲半高宽约为2.96 ns。

图6和7是根据式(9)绘制的激光器峰值电流与回路电阻R2、电感L、电容C1和电压Vin的关系曲线。从图6中可以看出寄生电感、寄生电阻对峰值电流存在很大的影响,峰值电流随回路寄生电感、寄生电阻的增加而降低。因此要想得到大电流,必须尽可能的减少回路I2的寄生电感和寄生电阻。从图7中可以看出,可以通过增大电容或者供电电压的方式来增大峰值功率。

图6 不同寄生电阻下激光器峰值电流关于电感的变化曲线

图7 不同电压下激光器峰值电流关于电容的变化曲线

图8 不同电阻下激光器脉冲宽度关于电容的变化曲线

(a) L从0到40 pH

通常极值点处对应的寄生电感值非常小,实际情况下很难达到。因此要想得到尽可能窄的脉冲宽度,要尽可能地优化布局布线,选用低封装电感器件,使回路的电感值往极值点逼近。

4 电路仿真分析和实验测试

对图4所示电路用OrCAD Pspice软件进行仿真。激光二极管模型使用ROHM的RLD90QZW8 spice模型,与SPLS1L90A_3 A01激光器参数相近。回路总寄生电感估计为4 nH,spice模型里面已经包括器件的导通电阻,寄生电阻R2不考虑,如图10所示。流经激光二极管的仿真波形如图11所示,其中LM5113需要大约100 μs的启动时间,从仿真结果可以看出峰值电流达到23 A,脉冲宽度大约2.6 ns。仿真结果跟理论计算基本符合。

图10 激光二极管高侧驱动电路仿真原理图

图11 流过激光二极管的电流波形

该驱动电路的PCB板如图12所示,上半部分为boost电源部分,下半部分为激光驱动电路。采用深圳飞博源光电的InGaAs光电探测器IAM-200对激光器脉冲宽度进行测量,实验装置如图13所示。激光器发出的一部分光通过光纤引入光电探测器,探测器输出端通过同轴电缆接到示波器。光脉冲峰值功率通过测量平均光功率,再根据峰值光功率公式Ppeak=Pave/f/tw计算得到,其中Pave为平均光功率,f为激光重复频率。平均光功率采用索雷博光功率探测器PM101A和S120C功率探头进行测量(如图14)。

图12 激光二极管高侧驱动电路PCB

图13 光脉冲宽度测量

图14 平均光功率测量

实验过程中测量了100 kHz重复频率下,半桥驱动器在不同供电电压下的光脉冲宽度和平均光功率,测量结果如表1所示。随着半桥驱动器供电电压的变大,平均光功率变大,光脉冲宽度变窄,能够达到3.1 ns。从原理图可知高侧GaN的栅源电压与半桥驱动器供电电压直接相关,两者相差一个二极管的导通压降。GaN的栅源电压越大,允许通过的瞬态电流就越大,导通速度越快,越接近理想开关,造成光脉冲宽度变窄和平均光功率变大。

表1 半桥驱动器不同供电电压下,激光器发出的平均光功率和光脉冲宽度

图15是半桥驱动器5.5 V供电时,InGaAs探测器测量得到的光脉冲波形。可以看出存在二次光脉冲,面积大约是第一个脉冲峰的1/4,因此测量得到的平均功率有1/5是第二个脉冲的,峰值功率Ppeak=0.8·Pave/f/tW,计算可得为65.3 W。根据该激光器的输出光功率曲线(图16),65.3 W的峰值功率对应的电流值约为19 A。

图15 激光二极管光脉冲波形

图16 激光二极管光功率曲线

对实际电路测量结果与理论和仿真结果进行比较,可以看出脉冲宽度与理论和仿真结果相差不大,峰值电流比理论和仿真结果要小。可能存在以下几个原因:(1)放电回路寄生电感、电阻估计值偏小,造成仿真电流偏大;(2)GaN导通需要一定的时间,对峰值电流有一定的阻碍作用;(3)测量发现boost电路80 V高压经过限流电阻之后加到储能电容两端的电压只有76.1 V,造成峰值电流减小。

最后采用本文设计的激光器搭建了一个简易的激光雷达,如图17所示。该激光雷达主要由4个部分组成:发射、接收、扫描和控制。扫描系统由一维mems反射镜和步进电机组成,mems反射镜负责竖直方向扫描,步进电机负责水平方向扫描。激光脉冲准直之后打在mems反射镜上出射。回波信号由SiPM探测器接收,转化为脉冲信号传输给FPGA,FPGA控制板固定在装置的背面。

图17 激光雷达

利用该装置对实验室假人进行扫描成像,结果如图18所示,成像质量良好,假人轮廓清晰。

图18 扫描实验结果

5 结 论

本文对普遍使用的栅极驱动电路拓扑结构进行修改得到高侧栅极驱动电路,使之能够适用于共阴极激光发射电路。文中阐述了该驱动电路的拓扑结构,并对该拓扑结构进行了理论和仿真分析。要使激光器发出大功率纳秒级的光脉冲,需要采用大的电源电压、选取合适的电容值、最小化回路寄生电感和寄生电阻、以及控制开关快速导通。通过实验测试验证了该电路具有高峰值功率,纳秒级脉宽的优点。在80 V电压下,实现了3.1 ns脉宽,约65.3 W的峰值功率。最后用该激光驱动电路作为激光雷达发射系统,成功的对假人进行了扫描成像。验证了高侧激光二极管驱动电路的可行性,为多线共阴极激光二极管驱动电路的设计提供一种参考。