VCSEL型脈沖激光雷達(dá)抑制浪涌電流方法的設(shè)計(jì)與分析*

趙 旸，楊逸峰，姜麗輝，楊世坤，練 達(dá)，楊元釗

(上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109)

0 引 言

近年來，垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)技術(shù)日益成熟，以此技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品開始廣泛應(yīng)用于通信、測量等行業(yè)。根據(jù)VCSEL光源的特性，驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大，光源轉(zhuǎn)化形成的光照強(qiáng)度也會(huì)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(dá)需通過瞬間釋放電來獲得大電流，這就導(dǎo)致自身硬件電路帶有較多的容性負(fù)載。在各種應(yīng)用中，容性負(fù)載在上電瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，將會(huì)對上一級的供電系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響，但是如果在供電母線上增加限流電阻可能會(huì)影響到容性負(fù)載的正常放電，進(jìn)而影響雷達(dá)的工作性能。因此，如何有效地消除VCSEL脈沖體制的激光雷達(dá)的上電浪涌，同時(shí)又不影響雷達(dá)的工作性能是一個(gè)關(guān)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(diǎn)在于不夠靈活、緩起功能作用時(shí)間有限，尤其是某些存在二次上電的電路，往往時(shí)間上無法覆蓋。文中通過對負(fù)載特性進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)了一種新的浪涌抑制方式，通過計(jì)算出間隔上電的參數(shù)，生成相應(yīng)指令來改變上電方式。該方法控制靈活，能夠根據(jù)實(shí)際負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)整，對降低浪涌電流具有顯著作用。

1 VCSEL脈沖激光雷達(dá)浪涌產(chǎn)生分析

為了使VCSEL光源正常工作，這里選擇開關(guān)電路控制儲(chǔ)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(shí)，上電瞬間，儲(chǔ)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(guān)電路模型如圖1所示。

圖1 開關(guān)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(qū)動(dòng)該光源，增加作為儲(chǔ)能電容；為限流電阻，用于調(diào)節(jié)整個(gè)電路電流；為VDMOS管，用于控制電路通斷；為高速開關(guān)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(guān)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(qū)動(dòng)激光光源工作，脈沖電流的產(chǎn)生主要依靠儲(chǔ)能大電容瞬間放電，在上電瞬間電容電荷為0，此時(shí)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(nèi)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(diào)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(chǔ)能電容的電容值；為儲(chǔ)能電容初始存儲(chǔ)電壓；為放電時(shí)間后的剩余電壓，可通過以下公式計(jì)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(dāng)增大時(shí)放電電流會(huì)減小，電流的減小將會(huì)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(gè)電路形成通路，此時(shí)，大容量的儲(chǔ)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(guān)電源而言，可通過設(shè)置上電緩啟動(dòng)，以減小浪涌電流。本文設(shè)計(jì)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(chǔ)能電容逐漸充滿，待完全充滿后再上電，從而實(shí)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(guān)是通過信號CTR控制的通斷決定的，為PMOS管。當(dāng)柵源電壓達(dá)到開啟電壓時(shí)，電路開啟。對于，其柵源極存在寄生電容，當(dāng)控制信號由高變低使能時(shí)，PWR電源通過開始對充電，當(dāng)兩端電壓達(dá)到開啟電壓時(shí)，PMOS管開啟，此時(shí)隨著充電的繼續(xù)，兩端電壓會(huì)繼續(xù)增大直至12V。根據(jù)PMOS管的特性，開啟電壓越大，其導(dǎo)通電流的能力越強(qiáng)，在PMOS管導(dǎo)通后，其漏源極形成持續(xù)電流，此時(shí)電感變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，失去作用，導(dǎo)致后級電容可以瞬間放電。如果采用間隔上電方式，當(dāng)控制信號CTR變?yōu)殚g隔脈沖信號時(shí)，每次信號使能只持續(xù)一小段時(shí)間,使得兩端電壓剛好達(dá)到開啟電壓。根據(jù)式(5)可計(jì)算出充電所需的時(shí)間

(5)

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

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

(6)

(7)

當(dāng)使能信號變高時(shí)，整個(gè)電路放電。對于柵源電容，放電時(shí)間的放電后電壓為

(8)

在這段時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)能電容也在放電，其放電后的電壓為

(9)

整個(gè)過程中儲(chǔ)能電容的電荷存量可以表示為

Δ=-

(10)

當(dāng)滿足Δ>0，經(jīng)過多個(gè)周期后儲(chǔ)能電容充滿，此時(shí)長開電源開關(guān)，不會(huì)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(yuǎn)小于一次開啟所產(chǎn)生的浪涌電流。為保證每次開啟不會(huì)使得瞬間充滿電，導(dǎo)致柵源電壓過大，可通過調(diào)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(dāng)上電穩(wěn)定后，圖2中的ILLB信號驅(qū)動(dòng)使得整個(gè)電路導(dǎo)通，激光器、開始工作，此時(shí)上電控制信號已經(jīng)穩(wěn)定，不會(huì)對激光器工作產(chǎn)生影響，也不會(huì)使激光雷達(dá)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(shè)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(nèi)不會(huì)對母線產(chǎn)生損傷以及其他不良影響。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的組成與建立

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

整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(qū)動(dòng)信號VESEL光源，光源電路如圖4所示。以及外圍電路有2個(gè)作用：1)調(diào)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(guān)，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(chǔ)能電容；為反向器，主要作用為增強(qiáng)VESEL光源控制信號的驅(qū)動(dòng)能力；、為高速開關(guān)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(gè)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(yàn)原理圖Fig.4 The schematic diagram of the test

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)印制板組件實(shí)物如圖5所示。

(a)被測電路板

整個(gè)試驗(yàn)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(gè)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(jì)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(nèi)，應(yīng)采用間斷上電方式為：充電時(shí)間為1μs，單周期放電時(shí)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(nèi)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)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(jié)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(shí)間為1μs，放電間隔為61μs，上電次數(shù)為17次。結(jié)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(lán)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(shí)根據(jù)第2節(jié)的分析，由于沒有改變限流電阻的大小，實(shí)際工作電流沒有影響，故光源性能沒有產(chǎn)生變化。

4 結(jié) 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(fù)載的產(chǎn)品上電時(shí)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(shí)間等參數(shù)，以適應(yīng)各種大小的容性負(fù)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(dá)產(chǎn)品，對產(chǎn)品供電系統(tǒng)的保護(hù)具有良好的效果。