金明澤,王 臣,朱 福,楊信誠(chéng),李智冰,趙曉琛,何偉基,張聞文

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210094)

1 引 言

三維深度信息的高速、高精度感知是導(dǎo)航、避障和無人駕駛等領(lǐng)域的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

多線掃描激光雷達(dá)具備測(cè)量速度快、探測(cè)距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),是一種用于三維深度信息感知的重要設(shè)備,是無人駕駛環(huán)境感知的極佳解決方案。

有的多線激光雷達(dá)通過多塊單線電路板堆疊的形式實(shí)現(xiàn)多線掃描,該方式存在體積大的缺點(diǎn)[1]。有的采用分光元件把單束光分成多束光來實(shí)現(xiàn)多線掃描,該種方法會(huì)造成單束光能量大大減弱,探測(cè)距離有限。針對(duì)上述情況,采用二極管激光器線性陣列作為發(fā)射系統(tǒng)會(huì)是不錯(cuò)的選擇。多線激光器工作方式有同時(shí)發(fā)光和多線輪流發(fā)光。工作在同時(shí)發(fā)光模式一方面對(duì)電源系統(tǒng)要求較高,另一方面不同通道之間回波信號(hào)可能會(huì)存在串?dāng)_,而輪流發(fā)光模式不存在這些問題。

二極管激光器注入一個(gè)大于閾值的電流脈沖,它會(huì)輸出一個(gè)光脈沖;光脈沖功率與注入電流呈線性關(guān)系[2]。光脈沖有兩個(gè)主要參數(shù),脈沖寬度和峰值功率,這兩個(gè)參數(shù)分別對(duì)距離分辨率和探測(cè)距離產(chǎn)生重要影響[3-5]。因此設(shè)計(jì)一個(gè)窄脈寬、大電流激光二極管驅(qū)動(dòng)電路十分重要。

激光二極管的開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路具有可調(diào)節(jié)脈沖寬度,低電壓源的優(yōu)勢(shì);激光二極管的諧振驅(qū)動(dòng)電路具有窄脈寬,大電流的特點(diǎn),是最常見的驅(qū)動(dòng)方式[5-8]。Mohamed等人使用高壓Si-IPD(硅集成無源器件)與嵌入式溝槽電容器,最大限度地減少回路寄生電感,實(shí)現(xiàn)激光器峰值功率達(dá)到140 W,脈沖寬度小于1ns[8]。Arslan等人利用電源電壓的瞬時(shí)升壓來克服導(dǎo)線的寄生電感,同時(shí)將功率開銷降至最低[9]。此外,一些研究人員提出使用寬帶隙器件,如GaN HEMT用于激光驅(qū)動(dòng)器,因?yàn)樗鼈兙哂懈痰拈_關(guān)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間,更低的開關(guān)損耗,更高的開關(guān)頻率[5,10-12]。上述提到的設(shè)計(jì)都是針對(duì)單線激光發(fā)射系統(tǒng),并且能夠應(yīng)用于多線共陽(yáng)極二極管激光器。但是市場(chǎng)上能買到的歐司朗、埃塞利達(dá)的4線、新亮光子的8線、16線二極管激光器都是共陰極的,他們的驅(qū)動(dòng)方法并不適用。

本文在傳統(tǒng)低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種激光二極管高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路,能夠產(chǎn)生納秒級(jí)高峰值功率光脈沖,適用于多線激光雷達(dá)的共陰極激光發(fā)射系統(tǒng)。

2 采用高側(cè)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原因

常見的脈沖激光器驅(qū)動(dòng)電路一般都是采用低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器和GaNFET產(chǎn)生大功率納秒級(jí)的激光脈沖,如圖1所示。其中Vin是高壓電源,R1是限流電阻,限制Vin流過激光二極管的電流在受激輻射閾值以下,C1是小容值儲(chǔ)能電容。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)低電平時(shí),柵極驅(qū)動(dòng)器輸出低電平控制GaN開關(guān)Q1斷開,高壓電源通過充電回路I1給儲(chǔ)能電容C1充電到高壓電源值。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)高電平時(shí),柵極驅(qū)動(dòng)器控制開關(guān)Q1導(dǎo)通,C1儲(chǔ)存的電荷在極短的時(shí)間內(nèi)通過電流路徑I2放電,激光二極管發(fā)出高功率窄脈寬的光脈沖。通過控制開關(guān)Q1的導(dǎo)通關(guān)斷,電路不停的充放電,產(chǎn)生高頻率的光脈沖,該種驅(qū)動(dòng)方式為激光二極管的諧振驅(qū)動(dòng)方式[6]。當(dāng)R1為0時(shí),C1容值較大時(shí),開關(guān)Q1導(dǎo)通,回路如I3所示,直接通過電源Vin為激光器二極管提供大電流,這種驅(qū)動(dòng)方式是激光二極管開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。該工作模式下光脈沖寬度可以通過控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間控制[5,8]。

圖1 激光二極管低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路

共陰極激光二極管要想工作在輪流發(fā)射模式,柵極驅(qū)動(dòng)器只能放置在激光器的高側(cè)(陽(yáng)極),如圖2所示。

圖2 共陰極激光二極管驅(qū)動(dòng)電路

選取一線進(jìn)行分析,如圖3所示,其中R1為限流電阻,L1、L2為回路寄生電感,R2為回路寄生電阻。開關(guān)Q1斷開時(shí),儲(chǔ)能電容C1充電。開關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí),存儲(chǔ)在C1中的電荷通過放電回路I2快速放電,高的di/dt在電感L2的兩端產(chǎn)生大的電壓,而且激光二極管存在大的導(dǎo)通壓降,這兩者抬升了開關(guān)Q1源極的電壓到一個(gè)比較大的值。而低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出到Q1柵極的高電平是穩(wěn)定的,這就造成了隨著I2回路的放電,VGS(Q1柵極和源極的電壓差)快速下降,Q1提前關(guān)斷,甚至反向擊穿。Q1提前關(guān)斷,會(huì)造成回路沒有充分放電,產(chǎn)生不了大電流脈沖。而半橋驅(qū)動(dòng)器高側(cè)輸出具有電壓浮動(dòng)的特點(diǎn),可以免受電壓抬升的影響。

圖3 高側(cè)激光二極管驅(qū)動(dòng)電路

TI的LM5113、安森美的NCP51820高性能半橋驅(qū)動(dòng)器最小輸入脈沖寬度為10 ns,如果采用激光二極管開關(guān)驅(qū)動(dòng)模式,光脈沖寬度最小只能達(dá)到10 ns,比較寬。因此本文采用半橋驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)高速GaN作為核心器件控制激光二極管工作在諧振模式下,如圖4。當(dāng)控制信號(hào)進(jìn)入半橋驅(qū)動(dòng)器,控制Q2導(dǎo)通,Q1斷開時(shí),I1回路給儲(chǔ)能電容C1充電;在I3回路中,5 V電源通過二極管D1給自舉電容C2充電。半橋驅(qū)動(dòng)器控制Q1導(dǎo)通,Q2斷開時(shí),自舉電容C2中儲(chǔ)存的電荷會(huì)使HO、HS之間維持恒定電壓差,HS端電壓會(huì)隨著開關(guān)Q1源極電壓的變化而變化,免受電壓抬升的影響始終維持Q1導(dǎo)通。C1中儲(chǔ)存的電荷能夠通過I2回路充分快速放電,產(chǎn)生高功率納秒級(jí)脈沖。本文的半橋驅(qū)動(dòng)器選用TI的LM5113。開關(guān)Q1、Q2選用EPC2204(GaN)具有極小的導(dǎo)通電阻和柵極電荷,極快的開關(guān)速度。其中Q2對(duì)開關(guān)導(dǎo)通速度要求不高,可以選用普通的開關(guān)管。半導(dǎo)體激光器選用OSRAM的905 nm邊緣發(fā)射激光器(EEL)SPL S1L90A_3 A01,具有高功率、高電光轉(zhuǎn)化效率的特點(diǎn)。Vin使用boost電路由5 V升到80 V,R1為300 Ω,C1為500 pF。

圖4 激光二極管高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路

3 驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

對(duì)圖4回路I1進(jìn)行分析,當(dāng)Q1斷開,C1從0開始充電,設(shè)電容兩端瞬時(shí)電壓為uC1(t),有:

(1)

在t=0時(shí),uC1(0)=0,可以解得:

(2)

τ=R1·C1為電容充電的時(shí)間常數(shù),當(dāng)充電時(shí)間大于5R1C1,電容充到99 %以上,可以認(rèn)為已經(jīng)充滿電[12]。充電時(shí)間常數(shù)越小,二極管激光器所能達(dá)到的重復(fù)頻率就越大,當(dāng)R1為300 Ω,C1等于500 pF時(shí),可以達(dá)到1.33 MHz的重復(fù)頻率。

對(duì)回路I2進(jìn)行分析,該電路是RLC放電電路。假設(shè)激光二極管是一個(gè)理想二極管,存在固定的導(dǎo)通壓降UDL1=11 V,開關(guān)Q1是理想開關(guān)。當(dāng)Q1導(dǎo)通放電時(shí),回路滿足基爾霍夫定理,有[1,5]:

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

(3)

設(shè)瞬時(shí)電流為i(t),有:

(4)

Q為電容C1充電時(shí)儲(chǔ)存的電荷,令L=L1+L2,把式(4)代入式(3),之后兩邊求導(dǎo),整理后有:

(5)

阻尼系數(shù)λ為:

(6)

為了獲得窄脈沖寬度和高峰值功率的激光脈沖,RLC放電電路必須工作在欠阻尼條件下,即λ<1。

式(5)的初始條件為:t=0,i(0)=0,uL(0)=Vin-UDL1。解得激光二極管內(nèi)的放電電流如下:

(7)

運(yùn)用上式對(duì)放電回路進(jìn)行分析,回路寄生電感估計(jì)值為4 nH,寄生電阻估計(jì)值為0.1Ω,波形如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)諧振電流反復(fù)震蕩,不僅存在多個(gè)電流峰值,還存在很大的反向電流。因此開關(guān)Q1應(yīng)該在發(fā)射一次光脈沖之后及時(shí)關(guān)斷,減少二次脈沖對(duì)測(cè)距精度的影響。在激光二極管旁邊反向并聯(lián)續(xù)流二極管引導(dǎo)反向電流,保護(hù)激光器免受反向電流的作用。續(xù)流二極管可以串連上一個(gè)小電阻,使反向電流快速衰減。

圖5 激光二極管的諧振電流曲線

對(duì)式(7)進(jìn)行求導(dǎo),可以求得峰值電流對(duì)應(yīng)的時(shí)間tp:

(8)

把式(8)帶入式(7),得峰值電流:

(9)

代入?yún)?shù)計(jì)算可得峰值電流為23.73 A。根據(jù)式(7),可以求得脈沖半高寬tw近似等于:

tw=2π/3β

(10)

脈沖寬度與電壓無關(guān),代入?yún)?shù)可得脈沖半高寬約為2.96 ns。

圖6和7是根據(jù)式(9)繪制的激光器峰值電流與回路電阻R2、電感L、電容C1和電壓Vin的關(guān)系曲線。從圖6中可以看出寄生電感、寄生電阻對(duì)峰值電流存在很大的影響,峰值電流隨回路寄生電感、寄生電阻的增加而降低。因此要想得到大電流,必須盡可能的減少回路I2的寄生電感和寄生電阻。從圖7中可以看出,可以通過增大電容或者供電電壓的方式來增大峰值功率。

圖6 不同寄生電阻下激光器峰值電流關(guān)于電感的變化曲線

圖7 不同電壓下激光器峰值電流關(guān)于電容的變化曲線

圖8 不同電阻下激光器脈沖寬度關(guān)于電容的變化曲線

(a) L從0到40 pH

通常極值點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的寄生電感值非常小,實(shí)際情況下很難達(dá)到。因此要想得到盡可能窄的脈沖寬度,要盡可能地優(yōu)化布局布線,選用低封裝電感器件,使回路的電感值往極值點(diǎn)逼近。

4 電路仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)圖4所示電路用OrCAD Pspice軟件進(jìn)行仿真。激光二極管模型使用ROHM的RLD90QZW8 spice模型,與SPLS1L90A_3 A01激光器參數(shù)相近。回路總寄生電感估計(jì)為4 nH,spice模型里面已經(jīng)包括器件的導(dǎo)通電阻,寄生電阻R2不考慮,如圖10所示。流經(jīng)激光二極管的仿真波形如圖11所示,其中LM5113需要大約100 μs的啟動(dòng)時(shí)間,從仿真結(jié)果可以看出峰值電流達(dá)到23 A,脈沖寬度大約2.6 ns。仿真結(jié)果跟理論計(jì)算基本符合。

圖10 激光二極管高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路仿真原理圖

圖11 流過激光二極管的電流波形

該驅(qū)動(dòng)電路的PCB板如圖12所示,上半部分為boost電源部分,下半部分為激光驅(qū)動(dòng)電路。采用深圳飛博源光電的InGaAs光電探測(cè)器IAM-200對(duì)激光器脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示。激光器發(fā)出的一部分光通過光纖引入光電探測(cè)器,探測(cè)器輸出端通過同軸電纜接到示波器。光脈沖峰值功率通過測(cè)量平均光功率,再根據(jù)峰值光功率公式Ppeak=Pave/f/tw計(jì)算得到,其中Pave為平均光功率,f為激光重復(fù)頻率。平均光功率采用索雷博光功率探測(cè)器PM101A和S120C功率探頭進(jìn)行測(cè)量(如圖14)。

圖12 激光二極管高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路PCB

圖13 光脈沖寬度測(cè)量

圖14 平均光功率測(cè)量

實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量了100 kHz重復(fù)頻率下,半橋驅(qū)動(dòng)器在不同供電電壓下的光脈沖寬度和平均光功率,測(cè)量結(jié)果如表1所示。隨著半橋驅(qū)動(dòng)器供電電壓的變大,平均光功率變大,光脈沖寬度變窄,能夠達(dá)到3.1 ns。從原理圖可知高側(cè)GaN的柵源電壓與半橋驅(qū)動(dòng)器供電電壓直接相關(guān),兩者相差一個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降。GaN的柵源電壓越大,允許通過的瞬態(tài)電流就越大,導(dǎo)通速度越快,越接近理想開關(guān),造成光脈沖寬度變窄和平均光功率變大。

表1 半橋驅(qū)動(dòng)器不同供電電壓下,激光器發(fā)出的平均光功率和光脈沖寬度

圖15是半橋驅(qū)動(dòng)器5.5 V供電時(shí),InGaAs探測(cè)器測(cè)量得到的光脈沖波形?？梢钥闯龃嬖诙喂饷}沖,面積大約是第一個(gè)脈沖峰的1/4,因此測(cè)量得到的平均功率有1/5是第二個(gè)脈沖的,峰值功率Ppeak=0.8·Pave/f/tW,計(jì)算可得為65.3 W。根據(jù)該激光器的輸出光功率曲線(圖16),65.3 W的峰值功率對(duì)應(yīng)的電流值約為19 A。

圖15 激光二極管光脈沖波形

圖16 激光二極管光功率曲線

對(duì)實(shí)際電路測(cè)量結(jié)果與理論和仿真結(jié)果進(jìn)行比較,可以看出脈沖寬度與理論和仿真結(jié)果相差不大,峰值電流比理論和仿真結(jié)果要小?？赡艽嬖谝韵聨讉€(gè)原因:(1)放電回路寄生電感、電阻估計(jì)值偏小,造成仿真電流偏大;(2)GaN導(dǎo)通需要一定的時(shí)間,對(duì)峰值電流有一定的阻礙作用;(3)測(cè)量發(fā)現(xiàn)boost電路80 V高壓經(jīng)過限流電阻之后加到儲(chǔ)能電容兩端的電壓只有76.1 V,造成峰值電流減小。

最后采用本文設(shè)計(jì)的激光器搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的激光雷達(dá),如圖17所示。該激光雷達(dá)主要由4個(gè)部分組成:發(fā)射、接收、掃描和控制。掃描系統(tǒng)由一維mems反射鏡和步進(jìn)電機(jī)組成,mems反射鏡負(fù)責(zé)豎直方向掃描,步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)水平方向掃描。激光脈沖準(zhǔn)直之后打在mems反射鏡上出射?；夭ㄐ盘?hào)由SiPM探測(cè)器接收,轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)傳輸給FPGA,FPGA控制板固定在裝置的背面。

圖17 激光雷達(dá)

利用該裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)室假人進(jìn)行掃描成像,結(jié)果如圖18所示,成像質(zhì)量良好,假人輪廓清晰。

圖18 掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

本文對(duì)普遍使用的柵極驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行修改得到高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路,使之能夠適用于共陰極激光發(fā)射電路。文中闡述了該驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論和仿真分析。要使激光器發(fā)出大功率納秒級(jí)的光脈沖,需要采用大的電源電壓、選取合適的電容值、最小化回路寄生電感和寄生電阻、以及控制開關(guān)快速導(dǎo)通。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該電路具有高峰值功率,納秒級(jí)脈寬的優(yōu)點(diǎn)。在80 V電壓下,實(shí)現(xiàn)了3.1 ns脈寬,約65.3 W的峰值功率。最后用該激光驅(qū)動(dòng)電路作為激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng),成功的對(duì)假人進(jìn)行了掃描成像。驗(yàn)證了高側(cè)激光二極管驅(qū)動(dòng)電路的可行性,為多線共陰極激光二極管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提供一種參考。