黃剛，潘李克，楊成豐，趙長春，潘群瓊，馮文碧

（1.永嘉縣電力實(shí)業(yè)有限公司，浙江 溫州 325100， 2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司永嘉縣供電公司，浙江 溫州 325100）

0 前言

與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖傳感器以其抗電磁干擾、耐高溫、抗腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、易于復(fù)用、傳感點(diǎn)無需用電等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[1-3]。

光纖布拉格光柵是光柵柵距均勻一致的一種光纖光柵，反射帶寬（約10-1nm）非常窄、反射率非常高，而且由于它是波長編碼的，使得它與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比,又有許多優(yōu)點(diǎn)，如：精度不受光源強(qiáng)度影響，受環(huán)境影響小，更加容易復(fù)用和實(shí)現(xiàn)分布式傳感等[4-5]。目前在光纖傳感及光纖通信領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。

光開關(guān)是重要的光無源器件，利用時(shí)分復(fù)用原理，光開關(guān)是實(shí)現(xiàn)光通信系統(tǒng)擴(kuò)容行之有效的方法[6-7]。在FBG（光纖布拉格光柵）傳感系統(tǒng)中，同樣可以利用光開關(guān)的時(shí)分復(fù)用的特性，將同根光纖上光柵傳感節(jié)點(diǎn)反射的信號在時(shí)間上進(jìn)行區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)可接入的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量成倍的增加，極大地降低了系統(tǒng)的成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性，尤其是在長距離傳感領(lǐng)域，比如長距離電纜監(jiān)測等方面，更有實(shí)用價(jià)值。

為了提高光纖傳感器空間的分辨率，需要光開關(guān)產(chǎn)生窄的光脈沖，因此需要研制和光開關(guān)匹配的高速高壓驅(qū)動器，來產(chǎn)生納秒級別的高壓驅(qū)動信號。傳統(tǒng)采用MOS管驅(qū)動的光開關(guān)驅(qū)動電路，產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖上升、下降邊沿都接近幾百納秒級別[8]，速率較低，無法滿足光開關(guān)需快速切換要求。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于GaN HEMT器件的高速光脈沖調(diào)制電路，用來驅(qū)動基于時(shí)分復(fù)用的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)中的光開關(guān)。

1 基于時(shí)分復(fù)用的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)

基于時(shí)分復(fù)用的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由ASE（放大自發(fā)輻射）寬帶光源、高速光脈沖調(diào)制器、光環(huán)形器、布拉格光柵傳感器、波長相關(guān)正交干涉儀、高速信號采集處理及控制電路幾個部分組成，布拉格光柵傳感器通過一根光纖串聯(lián)接入系統(tǒng)。

圖1 基于時(shí)分復(fù)用的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該光纖傳感系統(tǒng)的工作流程如下：首先由高速光脈沖調(diào)制器控制光開關(guān)，將寬帶光源產(chǎn)生的光調(diào)制成光脈沖，之后再通過環(huán)形器將光信號傳輸?shù)酱?lián)而成的光纖光柵傳感器中；其次，當(dāng)光信號傳輸?shù)竭@些光纖光柵上時(shí)，由于每個Bragg（布拉格）光柵分別能夠反射一個中心波長的光，這樣在外界環(huán)境參量發(fā)生變化時(shí)，各個Bragg光柵的中心波長會發(fā)生漂移，而經(jīng)過光柵傳感的波長選擇后，一組攜帶有待測信息的Bragg波長的窄帶光波就被反射回來，之后這些反射光會分別經(jīng)過環(huán)形器被正交干涉儀所接收，最后通過高速信號采集處理及控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，獲取待測信息。

通過高速光脈沖調(diào)制器控制光開關(guān)產(chǎn)生窄帶光脈沖，使得從任何兩個相鄰光柵傳感器上被反射回來的Bragg光波信號，在時(shí)間上都是間隔開的，從而可達(dá)到在同一根光纖中時(shí)分復(fù)用接入多個光纖光柵的目的。光脈沖越窄，代表著可接入的光纖光柵傳感器空間距離分辨率越高。光在光纖中的傳播速度大約為2x108m/s，如果要達(dá)到兩個相鄰光柵傳感器之間的最小距離為20 m，則窄帶光脈沖的時(shí)間寬度最大200納秒，才能保證從兩個光柵傳感器上反射回的光信號不會重疊在一起。

基于時(shí)分復(fù)用的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)，需要光開關(guān)有足夠快的切換速度，才能滿足單套系統(tǒng)可接入足夠多傳感器的要求。目前可以實(shí)現(xiàn)納秒級別的開關(guān)由電光晶體做成，電光晶體開關(guān)的控制電壓普遍在200 V左右[9]。光開關(guān)是一種容性負(fù)載，把光開關(guān)驅(qū)動到一種狀態(tài)相當(dāng)于給電容充電，而使光開關(guān)恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)相當(dāng)于給電容放電，光開關(guān)切換速率越快，給電容的充放電時(shí)間就越短。因此光開關(guān)驅(qū)動電路不僅要輸出高電壓，還要為光開關(guān)提供較高的輸出峰值電流。否則，高壓驅(qū)動信號的上升以及下降沿就會惡化，光開關(guān)的切換速率就會降低。

2 高速光脈沖調(diào)制器電路設(shè)計(jì)

高速光脈沖調(diào)制器主要由高壓升壓電路和高壓脈沖驅(qū)動電路兩部分組成。

高壓脈沖驅(qū)動電路的難點(diǎn)在于高壓快速導(dǎo)通與關(guān)斷電路，依賴于開關(guān)管的選型。氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體器件由于自身寬禁帶半導(dǎo)體材料的特性優(yōu)勢，很多性能超越傳統(tǒng)硅基功率器件，尤其是相較于硅MOSFET，氮化鎵材料具備更高的臨界電場、獨(dú)有且出色的動態(tài)導(dǎo)通電阻、更低的電容，使其尤為適用于功率半導(dǎo)體器件，讓GaN HEMT（氮化鎵高遷移率晶體管）成為高速開關(guān)的理想之選[10-11]。但GaN HEMT的柵極驅(qū)動要求更為嚴(yán)苛，傳統(tǒng)采用分立式元件驅(qū)動的電路，分立元件多，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，導(dǎo)致保護(hù)電路復(fù)雜，從而可靠性較差。

本文選用意法半導(dǎo)體公司的集成一體化的半橋MasterGaN2芯片[12]。MasterGaN2是一款高功率密度600 V半橋驅(qū)動器，內(nèi)部功能框圖如圖2所示，芯片內(nèi)部集成兩個600V常開型增強(qiáng)型GaN HEMT，每個開關(guān)管都集成一個優(yōu)化的柵極驅(qū)動器，零反向恢復(fù)損失，集成了互鎖功能和精確匹配的傳輸延遲，以及差分導(dǎo)通和關(guān)斷柵極電流，這些功能可以實(shí)現(xiàn)精確、高效的開關(guān)操作，防止兩個開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致短路或損壞。上、下開關(guān)管驅(qū)動部分集成UVLO（欠壓保護(hù)）保護(hù)功能，可防止在低電源電壓下工作時(shí)能效嚴(yán)重降低和潛在問題。同樣，集成的熱關(guān)斷功能可防止器件過熱。柵極驅(qū)動器的電平轉(zhuǎn)換器和高效輸入緩沖功能給GaN柵極驅(qū)動器帶來非常好的魯棒性和抗噪性。提供關(guān)閉引腳（SD/OD）允許通過MCU的專用引腳將功率開關(guān)設(shè)為空閑模式。支持最小可達(dá)5 ns的死區(qū)時(shí)間，高壓輸出波形具有比較快的上升（25 ns）和下降時(shí)間（15 ns），完全可以滿足光開關(guān)所需納秒級別的驅(qū)動信號要求。

圖2 MasterGaN2芯片內(nèi)部功能框

高壓脈沖驅(qū)動器電路如圖3所示。外部輸入的PWM控制信號，經(jīng)過兩級高速邏輯門電路(U1,U2,U3,U4)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，第一級邏輯門電路（U1,U2）將單個PWM信號轉(zhuǎn)換成一對互補(bǔ)驅(qū)動信號，由肖特基二極管、電阻R和電容C構(gòu)成死區(qū)時(shí)間設(shè)置電路，通過調(diào)整RC時(shí)間參數(shù)值來調(diào)整死區(qū)時(shí)間值。當(dāng)?shù)谝患夁壿嬮T輸出高電平時(shí)，先由電阻R對電容C進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)對高電平驅(qū)動信號延時(shí)處理；當(dāng)?shù)谝患夁壿嬮T輸出低電平時(shí)，由肖特基二極管對電容C快速放電，從而保證第二級邏輯緩沖電路前端輸入的一對互補(bǔ)驅(qū)動信號滿足死區(qū)時(shí)間設(shè)置要求。

圖3 高壓脈沖驅(qū)動器電路原理圖

第二級邏輯緩沖電路(U3,U4)，對經(jīng)過RC濾波后的邊沿變緩的信號進(jìn)行整形，輸出信號邊沿時(shí)間短（小于3 ns）的兩個控制信號。這兩個控制信號直接驅(qū)動MasterGaN2芯片內(nèi)部兩個GaN HEMT的邏輯控制管腳(HIN、LIN)。當(dāng)PWM信號為高電平時(shí)，MasterGaN2芯片內(nèi)上開關(guān)管導(dǎo)通、下開關(guān)管關(guān)閉，OUT管腳輸出VS高壓電平；當(dāng)PWM信號為低電平時(shí)，上開關(guān)管關(guān)閉、下開關(guān)管導(dǎo)通，OUT管腳輸出低電平。另外，BOOT和OUTB管腳間外接一個自舉電容，與芯片內(nèi)部包含的Bootstrap（自舉）二級管一起構(gòu)成自舉電路，為上開關(guān)管驅(qū)動電路提供驅(qū)動電源。

高速光脈沖調(diào)制器電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)還在于高壓升壓電路設(shè)計(jì)。

反激電路具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用非隔離反激式升壓電路，電路原理如圖4所示。電路包括主控芯片單元、變壓器、整流濾波單元及反饋單元等。

圖4 高壓升壓電路原理圖

主控芯片單元選用ADI公司的LT3757 DC/DC控制器[13]，LT3757在2.9V至40V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)96%的效率，在100KHz至1MHz的可編程固定頻率，可與外部頻率同步，支持多種電感器和電容器以優(yōu)化尺寸、性能和成本，可用于升壓、反激式、SEPIC和負(fù)輸出電源等應(yīng)用。

主控芯片LT3757通過GATE管腳控制MOS管導(dǎo)通關(guān)斷。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級電感電流開始上升，此時(shí)由于次級同名端的關(guān)系，輸出二極管截止，變壓器儲存能量，負(fù)載由輸出電容提供能量；當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，變壓器初級電感感應(yīng)電壓反向，此時(shí)輸出二極管導(dǎo)通，變壓器中的能量經(jīng)由輸出二極管向負(fù)載供電，同時(shí)對電容充電，補(bǔ)充剛剛損失的能量。

輸出端通過分壓電阻R15～R17、R22，檢測輸出電壓的大小，控制MOS管導(dǎo)通的占空比，從而對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓與分壓電阻之間的關(guān)系為：

Sense管腳通過采樣電阻進(jìn)行采樣輸入電流，調(diào)整MOS管導(dǎo)通的占空比，從而限制輸入的最大電流。

通過R9和R11電阻分壓實(shí)現(xiàn)輸入的欠壓保護(hù)功能。

RT管腳外部連接一個電阻，設(shè)置開關(guān)的工作頻率，圖中電阻設(shè)置為140 K，設(shè)定工作頻率為100 kHz。

經(jīng)過測試驗(yàn)證，該高壓升壓電路能夠穩(wěn)定輸出200 V高壓，輸出穩(wěn)定，滿足光開關(guān)的正常工作要求。

3 性能測試

測試系統(tǒng)原理框圖如圖5所示，由寬帶光源、光開關(guān)、光環(huán)形器、通過一根光纖串聯(lián)的三個布拉格光柵傳感器、高速光脈沖調(diào)制器、FPGA控制模塊、正交干涉儀、光電轉(zhuǎn)換電路，及示波器。

圖5 測試系統(tǒng)原理框圖

由FPGA控制模塊輸出一個控制信號，控制高速光脈沖調(diào)制器產(chǎn)生周期性高壓脈沖電平，通過此高壓脈沖電平控制光開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而產(chǎn)生窄帶光脈沖信號。由光環(huán)形器將光脈沖信號耦合至光柵傳感器中，光環(huán)形器將光柵反射回的光脈沖輸出到正交干涉儀，由光電轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及放大處理。示波器對高速光脈沖調(diào)制器、以及光電轉(zhuǎn)換電路的輸出信號進(jìn)行監(jiān)視。

圖7 調(diào)制器輸出電壓上升沿波形

圖8 調(diào)制器輸出電壓下降沿波形

通過示波器測試的高速光脈沖調(diào)制器輸出信號如圖6、7、8所示，光開關(guān)在有高壓輸入時(shí)為常閉狀態(tài)，光開關(guān)驅(qū)動電壓為200 V，驅(qū)動信號上升、下降邊沿都小于25 ns；通過示波器測試的光電管輸出信號如圖9所示，可以看到檢測到3個在時(shí)間軸上波形不重疊的光柵傳感器信號?？梢?，高速光脈沖調(diào)制器滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖6 高速光脈沖調(diào)制器輸出電壓波形

圖9 光電轉(zhuǎn)換電路輸出信號波形

4 結(jié)束語

利用光開關(guān)的時(shí)分復(fù)用的特性，將同根光纖上光柵傳感節(jié)點(diǎn)反射的信號在時(shí)間上進(jìn)行區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)可接入的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量成倍的增加，極大地降低了系統(tǒng)的成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性，尤其是在長距離傳感領(lǐng)域，更有實(shí)用價(jià)值。光開關(guān)的切換速度越快，可接入傳感器的數(shù)量就越多。文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種光開關(guān)的高速光脈沖調(diào)制電路，采用基于反激拓?fù)涞母邏荷龎弘娐?，以及基于GaN HEMT（氮化鎵高遷移率晶體管）的高速高壓驅(qū)動電路。經(jīng)過測試，此設(shè)計(jì)滿足基于時(shí)分復(fù)用的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)中高速光開關(guān)的驅(qū)動電路要求，可以輸出納秒級別的高壓脈沖信號，上升及下降邊沿時(shí)間小于25 ns。