一種空間視覺測(cè)量子系統(tǒng)用半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)*

王東寧，張 琳，華寶成，2，鄭 巖，2，龔德鑄，2，趙春暉，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

一種空間視覺測(cè)量子系統(tǒng)用半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)*

王東寧1，張 琳1，華寶成1，2，鄭 巖1，2，龔德鑄1，2，趙春暉1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

為提高視覺測(cè)量子系統(tǒng)抗雜光干擾能力，保證測(cè)量精度、穩(wěn)定性和可靠性，通常需要采用半導(dǎo)體激光二極管組成的照明光源對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行照明.提出一種半導(dǎo)體激光二極管恒流源電路設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了激光二極管開關(guān)延時(shí)軟啟動(dòng)、恒流驅(qū)動(dòng)、過流保護(hù)等功能.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，恒流源電路具有高穩(wěn)定、高可靠和高精度的特點(diǎn).

空間視覺測(cè)量;照明單元;激光二極管;恒流驅(qū)動(dòng)

0 引 言

空間視覺測(cè)量子系統(tǒng)是由安裝在追蹤飛行器上的視覺測(cè)量相機(jī)和安裝在目標(biāo)飛行器上的合作目標(biāo)構(gòu)成的光電測(cè)量子系統(tǒng)，主要用于交會(huì)對(duì)接最后靠攏到對(duì)接完成階段的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量［1］.空間視覺測(cè)量子系統(tǒng)在軌工作時(shí)，為避開太陽光干擾，除了選擇在太陽光輻射相對(duì)較弱的近紅外窄譜段工作外［2］，還采用同一近紅外譜段的照明單元對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行照明，達(dá)到凸顯感興趣的目標(biāo)特征，抑制無用的特征信息的目的，以提高空間視覺測(cè)量子系統(tǒng)測(cè)量的精度和可靠性［3］.

激光二極管(laser diode，LD)因其體積小、質(zhì)量輕、功耗低、發(fā)光效率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于空間視覺測(cè)量子系統(tǒng)照明光源上.LD是一種電流驅(qū)動(dòng)型器件，微小的驅(qū)動(dòng)電流變化將會(huì)使其輸出光功率較大的變化，因而其輸出光功率大小及穩(wěn)定性、工作可靠性與驅(qū)動(dòng)電源性能直接相關(guān).此外，電流瞬變、浪涌電流、上電瞬間過壓、靜電放電等均可能對(duì)LD造成潛在損傷乃至永久失效.對(duì)于性能和可靠度要求高的空間應(yīng)用場(chǎng)合，不僅需要考慮LD驅(qū)動(dòng)電路性能，還必須針對(duì)采取專門的可靠性設(shè)計(jì)措施，以避免對(duì)LD造成潛在損傷或永久失效.本文介紹了一種空間視覺測(cè)量用激光二極管恒流驅(qū)動(dòng)電路以及延時(shí)軟啟動(dòng)、限流保護(hù)等可靠性設(shè)計(jì)，給出了試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果.

1 總體設(shè)計(jì)

(1)LD工作模式選擇

LD通?？梢栽诤懔骰蚝愎β蕛煞N模式下工作，均是利用負(fù)反饋閉環(huán)機(jī)制控制LD發(fā)光，達(dá)到穩(wěn)定LD輸出光功率的目的.前者通過對(duì)LD驅(qū)動(dòng)電流采樣，利用負(fù)反饋閉環(huán)控制電路實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光;后者通過LD內(nèi)部集成的光電二極管(photo diode，PD)對(duì)諧振腔內(nèi)激光功率采樣，將之轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，利用負(fù)反饋控制閉環(huán)電路，實(shí)現(xiàn)LD發(fā)光功率恒定.

由于PD為LD內(nèi)置器件，可靠度較低，若PD失效則整個(gè)控制閉環(huán)失效.而恒流工作模式下可通過選擇高等級(jí)元器件來實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋閉環(huán)控制電路，易于實(shí)現(xiàn)電路的可靠性.考慮空間使用的高可靠度要求，選擇恒流模式作為LD發(fā)光控制模式.

(2)LD保護(hù)方案

LD對(duì)開啟或關(guān)斷時(shí)電壓/電流的瞬變、浪涌電流、ESD、反射電流、正向過流等工況均非常敏感，會(huì)造成LD潛在的損傷甚至永久失效.為此，電路設(shè)計(jì)采取如下LD保護(hù)方案:1)對(duì)于LD開啟或關(guān)斷時(shí)引起的電壓、電流瞬變，設(shè)計(jì)延時(shí)軟啟動(dòng)電路保證LD的驅(qū)動(dòng)電壓或電流緩慢變化;2)在LD兩個(gè)電極并聯(lián)電容以濾除高頻干擾;3)在LD兩端反向并聯(lián)肖特二極管以避免反向浪涌對(duì)LD造成的致命損壞; 4)在LD兩端并聯(lián)一個(gè)低接觸電阻短路開關(guān)，LD驅(qū)動(dòng)電路不工作時(shí)，將之短接，以起到保護(hù)LD作用; 5)設(shè)計(jì)限流電路防止 LD驅(qū)動(dòng)電流超過規(guī)定最大值.

激光二極管恒流驅(qū)動(dòng)電路由光功率設(shè)置、恒流驅(qū)動(dòng)、延時(shí)軟件啟動(dòng)、限流保護(hù)、健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)等模塊組成，其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.發(fā)光功率設(shè)置模塊在一片F(xiàn)PGA的控制下進(jìn)行激光二極管的發(fā)光功率切換.延時(shí)軟啟動(dòng)模塊用來保護(hù)激光二極管開關(guān)和功率切換時(shí)不會(huì)受到大脈沖電流沖擊損傷，提高工作可靠性，限流保護(hù)模塊用來保證激光二極管工作在安全工作電流范圍內(nèi).光功率設(shè)置模塊用于選擇電流驅(qū)動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)電流設(shè)定值，以控制LD的發(fā)光功率;恒流驅(qū)動(dòng)模塊用于為激光二極管提供高穩(wěn)定度的驅(qū)動(dòng)電流，以保證發(fā)光功率的穩(wěn)定性.健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊用來實(shí)時(shí)采集驅(qū)動(dòng)電壓/電流、LD溫度等狀態(tài)信息.

圖1 LD恒流驅(qū)動(dòng)與溫控電路原理框圖Fig.1 Constant-current driving circuit functional block diagram

2 主要電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 LD開/關(guān)延時(shí)軟啟動(dòng)保護(hù)電路

命令延時(shí)軟啟動(dòng)電路原理圖如圖2所示.其功能是抑制當(dāng)LD打開或關(guān)閉時(shí)帶來的電流瞬變，保證LD驅(qū)動(dòng)電流緩慢地變化，保護(hù)LD不受電流瞬變的損壞.

當(dāng)START開關(guān)控制信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，Q13三極管導(dǎo)通，電容C46開始充電，Q14的柵極由低逐漸升高，當(dāng)升高到某個(gè)閾值時(shí)，Q14導(dǎo)通，光功率設(shè)置電壓Vo緩慢降為0 V，LD不發(fā)光.當(dāng)START開關(guān)控制信號(hào)由低電平變?yōu)楦邥r(shí)，Q13三極管截止，電容C46通過R29開始放電，Q14柵極電壓逐漸降低，Vo逐漸升高，當(dāng)柵極電壓小于場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓時(shí)，Q14截止，Vo升到光功率設(shè)置電壓PresetV，LD以預(yù)設(shè)定的光功率發(fā)光.通過命令延時(shí)軟啟動(dòng)和光功率設(shè)置模塊控制，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)LD開關(guān)時(shí)均以緩變的方式開和關(guān)，達(dá)到了保護(hù)LD不會(huì)受到電流瞬變損壞的目的.

2.2 LD驅(qū)動(dòng)及限流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

LD驅(qū)動(dòng)與限流保護(hù)模塊主要完成功能有:保證流過LD的電流不超過最大值以免損壞LD;根據(jù)光功率設(shè)置電壓產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光;保證LD驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性和精度.

圖2 延時(shí)軟啟動(dòng)電路原理圖Fig.2 Delay start circuit schematic diagram

驅(qū)動(dòng)與限流保護(hù)模塊原理圖如圖3所示.

圖3 驅(qū)動(dòng)與限流保護(hù)模塊原理框圖Fig.3 Diagram of drive and current restriction and protection module

圖4中Vo為光功率設(shè)置電壓，由命令延時(shí)軟啟動(dòng)和光功率設(shè)置模塊控制.Rs為精密采樣電阻，與U12一起構(gòu)成采樣環(huán)節(jié)，通過對(duì)流過Rs的LD電流進(jìn)行采樣，送入控制閉環(huán)進(jìn)行恒流控制.圖中U11、Q18與采樣環(huán)節(jié)一起在Vo電壓控制下實(shí)現(xiàn)恒流控制，從而保證LD以恒定功率發(fā)光.而U10、Q20與采樣環(huán)節(jié)在Vmax電壓控制下同樣實(shí)現(xiàn)恒流控制，但Vmax根據(jù)LD允許通過的最大電流設(shè)定.當(dāng)Vo為正常設(shè)定值時(shí)，它小于Vmax，流過LD的電流為兩個(gè)恒流源中允許輸出電流的較小者.當(dāng)Vo大于Vmax時(shí)，流過LD的電流為被限制在最大允許電流值，從而保護(hù)LD不受損害.

此外，從圖4中可以看出，LD兩端并聯(lián)了電容、開關(guān)和反相肖特基二極管，其作用為:1)電容用來濾除高頻干擾，避免其對(duì)LD造成損壞;2)反相肖特二極管用來消除反相浪涌電流對(duì)LD的影響;3)低阻抗開關(guān)用于地面調(diào)試、轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，當(dāng)LD不工作時(shí)對(duì)LD兩端短接，達(dá)到保護(hù)LD目的.

通過上述措施，提高LD驅(qū)動(dòng)電路的性能及可靠性.

圖4 驅(qū)動(dòng)與限流保護(hù)電路原理圖Fig.4 Drive and current restriction and protection circuit

3 LD驅(qū)動(dòng)電路控制精度分析

根據(jù)圖3及相關(guān)模塊的電路原理圖可得出，LD驅(qū)動(dòng)電流ILD:

式中:Rs為LD電流采樣電阻;Vo為光功率設(shè)置電壓;Voffset為運(yùn)放失調(diào)電壓;Vref為基準(zhǔn)電壓;R1、R2為基準(zhǔn)電壓串聯(lián)分壓電阻.

由式(1)可得到誤差傳遞公式:

由于R1、R2在0.6～1 kΩ范圍內(nèi)，因此式(3)中最后兩項(xiàng)遠(yuǎn)小于前三項(xiàng)，該式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:

從式(4)可以分析得到影響LD驅(qū)動(dòng)電流精度和穩(wěn)定性的主要因素有:1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性;2)閉環(huán)回路中運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓;3)采樣電阻精度.

根據(jù)以上分析結(jié)果，在電路設(shè)計(jì)中時(shí)充分考慮相關(guān)器件參數(shù)對(duì)LD驅(qū)動(dòng)電流精度的影響，盡可能地選擇了高精度元器件，詳見表1所示.

表1 影響LD驅(qū)動(dòng)電流精度的關(guān)鍵器件的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Parameters of apparatus influenced the LD driving current precision

根據(jù)式(4)可以得到驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)穩(wěn)定度為:

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)研制的驅(qū)動(dòng)電路關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)對(duì)LD保護(hù)需要的延時(shí)時(shí)間以及整機(jī)對(duì)發(fā)光功率響應(yīng)實(shí)時(shí)性要求，調(diào)整圖2中R29和C46參數(shù)即可獲得合理的延時(shí)軟啟動(dòng)效果.空間視覺測(cè)量子系統(tǒng)中照明單元實(shí)現(xiàn)的延時(shí)啟動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖5所示，可見在1.36 ms的時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電流上升到穩(wěn)態(tài)電流的90%，既對(duì)LD起到了保護(hù)作用又能滿足整機(jī)時(shí)序要求.

圖5 空間視覺測(cè)量子系統(tǒng)照明單元延時(shí)啟動(dòng)性能測(cè)試Fig.5 Space vision measurement subsystem illuminating light source delay start test result

不同發(fā)光功率及其穩(wěn)定性是LD驅(qū)動(dòng)電路性能的核心指標(biāo)，對(duì)本文設(shè)計(jì)的LD驅(qū)動(dòng)電路在100 mW及400 mW照明功率下的光功率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示.可見100 mW光功率檔位實(shí)際發(fā)光功率約104 mW，400 mW光功率檔位實(shí)際發(fā)光功率約402 mW，均滿足穩(wěn)態(tài)發(fā)光功率偏差不超過±5%指標(biāo)要求.LD驅(qū)動(dòng)電流與發(fā)光功率成線性關(guān)系，驅(qū)動(dòng)電流每增加1 mA發(fā)光功率增大約1 mW，因此發(fā)光功率穩(wěn)定性即為驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定性.試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)光功率穩(wěn)定性(即控制精度)分別為(104.7－103.8)/104=0.86%，(402.4－400.8)/402= 0.39%.可見驅(qū)動(dòng)電流實(shí)際控制精度與理論分析較為一致，說明LD照明驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)功能性能均達(dá)到了預(yù)期指標(biāo).

圖6 空間視覺測(cè)量子系統(tǒng)照明單元光功率及其穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of power and stability of laser driving circuit used in space vision measurement subsystem

5 結(jié)束語

提出一種空間視覺測(cè)量用半導(dǎo)體激光二極管恒流源電路設(shè)計(jì)方法，針對(duì)空間環(huán)境特殊要求和器件特性，選擇了恒流驅(qū)動(dòng)工作模式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了開關(guān)延時(shí)軟啟動(dòng)、過流保護(hù)等功能，確保了電路長期工作可靠性.設(shè)計(jì)的恒流驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了發(fā)光功率可調(diào)，發(fā)光功率精度的測(cè)試結(jié)果與理論分析水平基本一致，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能及性能指標(biāo)要求.

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Design of Laser Diode Driving Circuit Used in Space Vision Measurement Subsystem

WANG Dongning1，2，ZHANG Lin1，2，HUA Baocheng1，2，ZHENG Yan1，2，GONG Dezhu1，2，ZHAO Chunhui1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China;2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

To improve the reliability，accuracy and stray light suppression ability，laser diode is commonly used for illumination of space vision measurement subsystem which is used in rendezvous and docking and on-orbit operation mission.A design of laser diode driving circuit is proposed，the delayed start ability，constant-current driving and over-current protection are realized.Experimental results validate the high stability reliability and high accuracy of proposed designing.

space vision measurement;illuminating light source;laser diode;constant-current driving

V44

:A

:1674-1579(2016)02-0049-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.02.009

王東寧(1957—)，男，工程師，研究方向?yàn)榭臻g視覺敏感器電路設(shè)計(jì);張 琳(1983—)，女，工程師，研究方向?yàn)榭臻g視覺敏感器電路設(shè)計(jì);華寶成(1982—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭臻g視覺測(cè)量技術(shù);鄭 巖(1983—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭臻g視覺測(cè)量技術(shù);龔德鑄(1977—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭臻g視覺測(cè)量及光電探測(cè)技術(shù);趙春暉(1972—)，男，研究員，研究方向?yàn)榭臻g視覺測(cè)量及光電探測(cè)技術(shù).

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61174004).

2015-11-30