VCSEL型脈沖激光雷達抑制浪涌電流方法的設計與分析*

趙 旸，楊逸峰，姜麗輝，楊世坤，練 達，楊元釗

(上海航天控制技術研究所·上海·201109)

0 引 言

近年來，垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)技術日益成熟，以此技術研發(fā)的產(chǎn)品開始廣泛應用于通信、測量等行業(yè)。根據(jù)VCSEL光源的特性，驅動電流大于閾值電流時，隨著驅動電流的增大，光源轉化形成的光照強度也會增大。所以，目前許多激光測量產(chǎn)品開始采用VCSEL作為發(fā)射光源，既能滿足性能要求，又可以將產(chǎn)品小型化，具有很大的商業(yè)前景。但脈沖型激光雷達需通過瞬間釋放電來獲得大電流，這就導致自身硬件電路帶有較多的容性負載。在各種應用中，容性負載在上電瞬間會產(chǎn)生較大的浪涌電流，將會對上一級的供電系統(tǒng)造成嚴重的影響，但是如果在供電母線上增加限流電阻可能會影響到容性負載的正常放電，進而影響雷達的工作性能。因此，如何有效地消除VCSEL脈沖體制的激光雷達的上電浪涌，同時又不影響雷達的工作性能是一個關鍵問題。目前，減小浪涌的辦法通常為使用阻容器件組成緩起電路，這類方法的缺點在于不夠靈活、緩起功能作用時間有限，尤其是某些存在二次上電的電路，往往時間上無法覆蓋。文中通過對負載特性進行研究分析，設計了一種新的浪涌抑制方式，通過計算出間隔上電的參數(shù)，生成相應指令來改變上電方式。該方法控制靈活，能夠根據(jù)實際負載特性進行調整，對降低浪涌電流具有顯著作用。

1 VCSEL脈沖激光雷達浪涌產(chǎn)生分析

為了使VCSEL光源正常工作，這里選擇開關電路控制儲能電容放電的方法，為VCSEL光源提供較大的瞬間電流；與此同時，上電瞬間，儲能電容不能瞬間充滿，產(chǎn)生大的浪涌電流。為方便分析，搭建激光器開關電路模型如圖1所示。

圖1 開關電路模型Fig.1 The model of switching circuit

圖1中，電路的核心器件為，該器件是VCSEL光源；為了驅動該光源，增加作為儲能電容；為限流電阻，用于調節(jié)整個電路電流；為VDMOS管，用于控制電路通斷；為高速開關MOS管，用于控制激光光源的閃爍；CTR為上電控制信號，用于控制的開啟和關閉；ILLB為激光光源閃爍頻率控制信號，用于控制激光光源的閃爍頻率。該電路的主要功能為產(chǎn)生脈沖電信號驅動激光光源工作，脈沖電流的產(chǎn)生主要依靠儲能大電容瞬間放電，在上電瞬間電容電荷為0，此時電容視為對地短路，產(chǎn)生的電流如下

(1)

其中，為電容產(chǎn)生的瞬間電流；為電容兩端的電壓；為電流釋放通道的阻抗，包含限流電阻與MOS管漏源電阻；為電容內阻。

根據(jù)式(1)可以看出，除限流電阻外，其他參數(shù)均由器件本身決定，無法更改大小，故只能通過改變限流電阻調整浪涌電流。但考慮到電路功能，在放電階段產(chǎn)生的電流為

(2)

其中，為儲能電容的電容值；為儲能電容初始存儲電壓；為放電時間后的剩余電壓，可通過以下公式計算

(3)

其中，為電流釋放通道的阻抗，包含限流電阻與MOS管漏源電阻。綜合式(2)和式(3)可得放電電流為

(4)

可知，當增大時放電電流會減小，電流的減小將會影響激光器正常工作，故無法通過改變限流電阻來減小浪涌電流。

2 減小浪涌電流方法分析

根據(jù)以上分析，浪涌是由于上電瞬間，整個電路形成通路，此時，大容量的儲能電容沒有充滿電，形成對地短路，從而造成大的浪涌電流。對于一般的開關電源而言，可通過設置上電緩啟動，以減小浪涌電流。本文設計了一種間隔上電的方法，通過間斷上電的方式使得大容量的儲能電容逐漸充滿，待完全充滿后再上電，從而實現(xiàn)消除浪涌電流的方法，具體方法分析如下。

如圖2所示，上電電路的開關是通過信號CTR控制的通斷決定的，為PMOS管。當柵源電壓達到開啟電壓時，電路開啟。對于，其柵源極存在寄生電容，當控制信號由高變低使能時，PWR電源通過開始對充電，當兩端電壓達到開啟電壓時，PMOS管開啟，此時隨著充電的繼續(xù)，兩端電壓會繼續(xù)增大直至12V。根據(jù)PMOS管的特性，開啟電壓越大，其導通電流的能力越強，在PMOS管導通后，其漏源極形成持續(xù)電流，此時電感變?yōu)閷顟B(tài)，失去作用，導致后級電容可以瞬間放電。如果采用間隔上電方式，當控制信號CTR變?yōu)殚g隔脈沖信號時，每次信號使能只持續(xù)一小段時間,使得兩端電壓剛好達到開啟電壓。根據(jù)式(5)可計算出充電所需的時間

(5)

圖2 間隔上電示意圖Fig.2 The schematic diagram of interval power on

同時在這段時間內，12V的供電電源對儲能電容充電，但由于時間較短，產(chǎn)生的充電電流可認為是突變電流，電感將產(chǎn)生自感電動勢對該電流產(chǎn)生抑制作用，自感電動勢記為

(6)

(7)

當使能信號變高時，整個電路放電。對于柵源電容，放電時間的放電后電壓為

(8)

在這段時間內，儲能電容也在放電，其放電后的電壓為

(9)

整個過程中儲能電容的電荷存量可以表示為

Δ=-

(10)

當滿足Δ>0，經(jīng)過多個周期后儲能電容充滿，此時長開電源開關，不會再出現(xiàn)大浪涌電流，而每次開啟的電流由于受到MOS管本身的限制與電感的抑制，將遠小于一次開啟所產(chǎn)生的浪涌電流。為保證每次開啟不會使得瞬間充滿電，導致柵源電壓過大，可通過調節(jié)限制對柵源電容的充電。

由于該方法僅限于光源上電階段，當上電穩(wěn)定后，圖2中的ILLB信號驅動使得整個電路導通，激光器、開始工作，此時上電控制信號已經(jīng)穩(wěn)定，不會對激光器工作產(chǎn)生影響，也不會使激光雷達性能發(fā)生改變。由于浪涌電流的降低，盡管次數(shù)增多，但是通過印制板走線最大電流設置為5A，使得單次浪涌沖擊小于母線最大通過電流，在有限的次數(shù)內不會對母線產(chǎn)生損傷以及其他不良影響。

3 試驗驗證

3.1 試驗系統(tǒng)的組成與建立

根據(jù)以上分析，在搭建的試驗系統(tǒng)上，驗證分段上電方法對上電浪涌的有效抑制，搭建的實驗平臺工作流程如圖3所示。

整個實驗系統(tǒng)包括使能信號控制、供電電路、光源電路。使能信號控制由FPGA以及其外圍電路組成，提供上電控制信號CTR與光源驅動信號VESEL光源，光源電路如圖4所示。以及外圍電路有2個作用：1)調節(jié)控制信號的狀態(tài)；2)控制對柵源電容的充電速度。的作用是作為控制開關，控制后級電路供電電源的通斷；、為激光光源；為限流電阻；為儲能電容；為反向器，主要作用為增強VESEL光源控制信號的驅動能力；、為高速開關管，作用是通過VESEL光源信號控制、的通斷以控制、發(fā)光，、的閃光頻率為VESEL光源的頻率。整個電路工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖Fig.3 The working flow chart

圖4 試驗原理圖Fig.4 The schematic diagram of the test

根據(jù)試驗系統(tǒng)設計印制板組件實物如圖5所示。

(a)被測電路板

整個試驗系統(tǒng)包括被測電路板、供電與信息處理板，其中供電電路板提供整個系統(tǒng)所需的電壓，包括被測電路所需的12V、5V；信息處理板產(chǎn)生上電控制信號CTR，CTR的形式包括直接上電信號和間斷上電信號，另外包括激光光源的閃爍控制信號VESEL光源。

根據(jù)第2節(jié)分析計算可知，如果瞬間上電，母線浪涌電流大概為12A，如果將母線浪涌控制在5A以內，應采用間斷上電方式為：充電時間為1μs，單周期放電時間為60μs，上電次數(shù)為17次。以此方式上電可將電源次數(shù)控制在5A以內。

3.2 試驗結果

采用直接上電的方式，即CTR瞬間拉高后保持不變，測量母線浪涌電流，結果如圖6所示。

圖6 更改前浪涌測試圖Fig.6 The surge test diagram before change

采用直接上電的方式，上電浪涌為11.56A。采用間斷上電的方式為：充電時間為1μs，放電間隔為61μs，上電次數(shù)為17次。結果如圖7所示。

圖7 更改后浪涌測試圖Fig.7 The surge test diagram after change

其中藍色波形表示上電控制信號波形，綠色波形表示上電浪涌波形。從圖7可知，浪涌為2.88A，滿足小于5A的要求。同時根據(jù)第2節(jié)的分析，由于沒有改變限流電阻的大小，實際工作電流沒有影響，故光源性能沒有產(chǎn)生變化。

4 結 論

本文采用控制信號間斷上電的浪涌抑制方式，大幅度降低了具有大容性負載的產(chǎn)品上電時產(chǎn)生的較大的上電浪涌。此外，該種方式的更改僅限于開始上電階段，不影響上電穩(wěn)定后的工作狀態(tài)，對產(chǎn)品的性能沒有影響。本文方法可以通過更改充電次數(shù)、充放電時間等參數(shù)，以適應各種大小的容性負載，并且對硬件電路沒有產(chǎn)生更改。該方法簡單有效，能夠適用于各種VCSEL型激光雷達產(chǎn)品，對產(chǎn)品供電系統(tǒng)的保護具有良好的效果。