一體化脈沖式半導體激光器驅動電路及其布局

崔景霖，劉曉科，耿志祥，王春濤

（西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

脈沖式半導體激光測距技術因為具有峰值功率高、測量距離遠、無需合作目標、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應用于武器的激光引信及其他測距系統(tǒng)中［1］。在脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)中，激光發(fā)射電路中的半導體激光器驅動電路因其工作在大脈沖電流狀態(tài)，會對激光接收電路和信號處理電路產(chǎn)生很強的電磁干擾，甚至干擾到武器系統(tǒng)的其他電路，造成整個武器系統(tǒng)的虛警甚至功能失效，因此必須對激光發(fā)射電路、接收電路和信號處理電路采取抗干擾措施；同時，該激光器驅動電路具有高速開關特性，存在瞬態(tài)過程，由電路布局和走線不當引起的寄生參數(shù)也會延長激光脈沖的前沿上升時間、損耗激光發(fā)射功率。而且近年來，激光引信開始向中小口徑彈種方向發(fā)展，對于激光測距系統(tǒng)的結構都有小體積、一體化的要求，以達到節(jié)約空間、靈活配用的目的，空間的狹小使得系統(tǒng)抗干擾問題更加突出［2］。針對上述問題，本文提出一種一體化脈沖式半導體激光器驅動電路，并基于此對整個脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)進行了布局。

1 脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)自身干擾成因分析

一般脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)主要由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊和信號處理模塊三個功能模塊組成，系統(tǒng)組成原理框圖見圖1。

圖1 脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)組成原理框圖Fig.1 The block diagram of pulsed laser ranging system

本文從以下兩個方面分析脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)自身的干擾成因：一是激光發(fā)射模塊中的半導體激光器驅動電路對激光接收模塊和信號處理模塊的電磁干擾，二是由于半導體激光器驅動電路布局和走線不當引起的寄生干擾。

1.1 半導體激光器驅動電路的電磁干擾成因分析

任何一種電磁干擾的形成都包含三個環(huán)節(jié)：一是產(chǎn)生電磁干擾的干擾源；二是電磁干擾傳輸?shù)狡渌娐废到y(tǒng)的途徑，即干擾路徑；三是被干擾的電路系統(tǒng)，即干擾對象。其中，干擾路徑從傳輸方式上可分為輻射干擾和傳導干擾。因此解決電磁干擾問題，要從這三個環(huán)節(jié)進行考慮，即抑制干擾源的干擾，切斷傳輸干擾的路徑，提高干擾對象抗干擾能力。

在脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)中，半導體激光器驅動電路產(chǎn)生大且窄的脈沖電流，本文脈沖電流峰值可達40A，脈寬可窄至十幾納秒，瞬間大電流放電驅動半導體激光管出光。根據(jù)電磁場理論，瞬態(tài)放電可引起電磁振蕩，向外界輻射出電磁波，從而產(chǎn)生電磁干擾，這種干擾以輻射的方式干擾到激光接收模塊和信號處理模塊［3］，如果半導體激光器驅動電路布局不合理，增加了電磁場的空間開放程度，則電磁干擾向外界輻射的功率就會大大增強。

另外一方面，半導體激光器驅動電路中的功率開關器件IGBT在小占空比（一般小于0.1%）脈沖信號的驅動下，99.9%的時間處于截止狀態(tài)，此時激光驅動電源的負載很小，而在0.1%的時間里瞬間導通，此時激光器驅動電源的負載很大，在電源阻抗上形成很大的壓降，從而使激光器驅動電源電壓出現(xiàn)瞬間缺口，造成電源抖動，而且這種電壓波形含有高次諧波，具有很強的干擾能力。如果激光接收模塊和信號處理模塊與半導體激光器驅動電路共電源工作，激光器驅動電源的抖動干擾就會通過共用電源內公共阻抗串入到激光接收模塊和信號處理模塊中去，形成傳導干擾。

根據(jù)以上半導體激光器驅動電路的電磁干擾成因分析和電磁干擾三個環(huán)節(jié)的劃分標準，確定脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)的電磁干擾傳輸鏈路，如圖2所示。

圖2 脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)的電磁干擾傳輸鏈路Fig.2 The jamming transmission link of the pulsed laser ranging system

1.2 半導體激光器驅動電路的寄生干擾成因分析

為了研究電路寄生參數(shù)對半導體激光器驅動電路性能的影響，圖3給出了半導體激光器驅動電路的原理框圖，圖4為其等效電路圖。

圖3 半導體激光器驅動電路原理框圖Fig.3 The block diagram of the driving circuit for pulsed laser diode

圖4 半導體激光器驅動電路等效電路圖Fig.4 The equivalent circuit of the driving circuit for pulsed laser diode

在圖4中，L為寄生電感，C為儲能電容，R為電路的總電阻。其中，電路總電阻R包括激光器動態(tài)電阻、開關元件導通內阻和電路引線電阻，寄生電感L由器件封裝引腳、PCB板過孔和過長的印制線導線等因素引起，半導體激光器驅動電路具有高速開關特性，存在瞬態(tài)過程，寄生電感不能忽略，很小的值就會影響電路的性能。

在功率開關器件K閉合、激光器開啟工作期間，寄生電感L越大，儲能電容C放電電流上升速度越慢，激光脈沖的前沿上升時間就越長，由文獻［4］可知，激光脈沖的上升時間對系統(tǒng)的測距精度影響最大，激光脈沖的上升時間越長，測距精度越差。另外，當發(fā)射電路驅動脈沖較窄時，激光器的驅動電流未達到最大值就截止，激光器的功率不能充分發(fā)揮出來。

電路總電阻R對半導體激光器驅動電路性能的影響主要體現(xiàn)在會衰減激光器的發(fā)射功率。因為激光器發(fā)光瞬間其動態(tài)內阻很?。ㄒ话阍?Ω左右或更?。?，激光器驅動電路中由布線參數(shù)和激光器引腳產(chǎn)生的電阻會大大衰減激光器的發(fā)射功率。經(jīng)測試，長25mm的激光器引腳，衰減掉了脈沖寬度為40ns的激光器20%的功率［5］。

1.3 方案改進前半導體激光器驅動電路及其布局

本文所討論的半導體激光器驅動電路方案改進前的布局是：將半導體激光器單獨放置于激光收發(fā)光學前端艙體中，而將半導體激光器驅動電路放置于后端電路艙體中，方案改進前激光器驅動電路布局方案框圖見圖5。基于以上半導體激光器驅動電路的布局，下面給出方案改進前的脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)的布局：窄脈沖形成及激光器驅動電路、激光接收電路和信號處理電路位于后端電路艙體中，半導體激光器、光電探測器及其前置放大電路位于光學前端艙體中，激光接收電路和信號處理電路與半導體激光器驅動電路共電源工作。方案改進前脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)的布局方案框圖見圖6。

圖5 方案改進前激光器驅動電路布局方案框圖Fig.5 The layout block diagram of the driving circuit for pulsed laser diode before improving scheme

圖6 方案改進前脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)布局方案框圖Fig.6 The layout block diagram of the pulsed laser ranging system before improving scheme

方案改進前半導體激光器驅動電路的布局和脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)的布局存在三個問題。

問題一：激光器驅動電路通過較長的兩根導線來連接激光器，較長的兩根導線猶如一個大的環(huán)狀天線，根據(jù)本文1.1節(jié)的分析，相當于增加了電磁場的空間開放程度，電磁干擾向外界泄露的功率就會增強很多，甚至在激光接收模塊和信號處理模塊的所有引出線上都感應出半導體激光器驅動電路的放電脈沖信號，這種感應放電脈沖干擾信號波形見圖7。

問題二：激光接收模塊和信號處理模塊與半導體激光器驅動電路共電源工作，根據(jù)本文1.1節(jié)的分析，激光器驅動電源的抖動干擾就會通過共用電源內公共阻抗串入到激光接收模塊和信號處理模塊中去，形成傳導干擾，而且這種抖動的電源電壓波形含有高次諧波，具有很強的干擾能力。抖動的電源電壓波形見圖8。

問題三：激光器驅動電路通過較長的兩根導線來連接激光器，根據(jù)本文1.2節(jié)的分析，這種過長的導線成為增加寄生電感和放電回路總電阻的主要因素，延緩了激光脈沖上升時間，衰減了激光器發(fā)射功率。方案改進前的儲能電容的放電波形見圖9。

從圖9可以看出，儲能電容放電波形的積分面積不足夠大，說明儲能電容的能量未能充分釋放出來，另外還發(fā)現(xiàn)電容放電信號出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，說明激光器驅動電路的設計和布局也存在問題。

圖7 激光接收模塊和信號處理模塊引出線上感應的放電脈沖干擾信號Fig.7 The jamming discharge pulse signal influenced on the lead of the receiving circuit and the signal processing circuit

圖8 抖動的電源電壓波形Fig.8 The jitter of power voltage waveform

圖9 儲能電容的放電波形Fig.9 The discharge waveform of storage capacitor

2 一體化脈沖式半導體激光器驅動電路及其布局

上述改進前的激光器驅動電路布局，除了會增加輻射干擾和傳導干擾的程度，還增加了驅動電路中放電回路的寄生電感和回路總電阻，影響了激光器輸出功率和激光脈沖的前沿速度，因此有必要將激光器及其放電回路進行一體化設計和布局。

首先，把半導體激光器及其驅動電路盡量布放在一塊PCB板上，并單獨放置于激光測距系統(tǒng)光學窗體所在的前端艙體中，即位于收發(fā)光學系統(tǒng)的后面，驅動電路中的儲能電容盡量靠近激光器，驅動電路中的放電回路走線要短且粗，這種電路設計布局去掉了激光器驅動電路連接激光器的兩根長導線，元器件布放緊湊，具有以下優(yōu)點：

1）限制了電磁場的空間開放程度，電磁干擾向外界泄露的能量被削弱，盡管會有小部分的電磁干擾輻射，也會被所在艙體的金屬殼體所屏蔽。

2）減小了電路寄生參數(shù)的影響，寄生參數(shù)主要包括寄生電感和引腳等電阻。寄生電感的減小會使激光脈沖的上升時間更短，而且在激光脈沖較窄時可保證激光器的功率能充分發(fā)揮出來。引腳等電阻的降低，減小了驅動電路能量的損耗，有利于激光功率的提升。

3）便于激光器驅動電路的一體化設計。

其次，為防止激光接收模塊和信號處理模塊與半導體激光器驅動電路共電源工作時，激光器驅動電源的抖動干擾串入到激光接收模塊和信號處理模塊，采用光耦把窄脈沖形成電路與半導體激光器驅動電路隔離開來，窄脈沖形成電路作為弱信號電路與激光接收電路和信號處理電路共用電源，并放置在后端電路艙中（弱信號艙），而把半導體激光器驅動電路單獨放置在光學前端艙體中，通過光耦隔離后，采用另一路獨立電源作為激光電源進行單獨供電。

第三，半導體激光器驅動電路所在艙體采取一定的屏蔽措施，用艙體的金屬機殼作電磁屏蔽，采用鄰接方式，以凹凸槽將外殼拼接在一起。對低頻輻射干擾，下邊部分邊緣至少要和上半部分重疊4～6mm。對高頻干擾信號，僅靠幾個螺絲固定艙蓋來屏蔽是不夠的，最低的原則是，兩個螺絲之間的距離不能超過干擾信號波長的一半，最好是1／8波長左右。同時艙體的金屬機殼應良好接地［6］。

最后，基于以上考慮，得出脈沖半導體激光器驅動電路的一體化設計方案，見圖10。同時，因為激光器驅動電路通過光耦隔離后，不與窄脈沖形成電路、激光接收電路和信號處理電路共地共電源，基于此考慮，對整個脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)進行了設計和布局，方案框圖見圖11。

圖10 方案改進后脈沖半導體激光器驅動電路的一體化方案框圖Fig.10 The integrated design block diagram of the driving circuit for pulsed laser diode after improving scheme

圖11 方案改進后脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)布局框圖Fig.11 The layout block diagram of the pulsed laser ranging system after improving scheme

3 驗證及分析

依據(jù)上述脈沖半導體激光器驅動電路的一體化設計及激光測距系統(tǒng)的整體布局，重新設計加工了激光測距系統(tǒng)的結構和PCB電路板，對該改進系統(tǒng)的放電脈沖感應干擾信號、弱信號電源電壓抖動信號及儲能電容放電信號進行了測試，并與之前未改進系統(tǒng)的相應信號波形進行對比，系統(tǒng)改進前后的示波器實測信號波形對比見圖12、圖13、圖14。

對圖中的示波器實測波形的測量數(shù)據(jù)進行列表對比分析，見表1。

圖12 激光接收模塊和信號處理模塊引出線上感應的放電脈沖干擾信號Fig.12 The jamming discharge pulse signal influenced on the lead of the receiving circuit and the signal processing circuit

圖13 弱信號電源電壓抖動信號Fig.13 The jitter waveform of weak signal power voltage

圖14 儲能電容放電信號Fig.14 The discharge waveform of the energy storage capacitor

表1 示波器實測信號的數(shù)據(jù)對比Tab.1 The comparison of oscillograph measuring data

從方案改進前后的波形對比和數(shù)據(jù)對比可以看出，放電脈沖干擾信號和供電電壓的抖動被大幅度抑制，儲能電容釋放的能量大大增強（即激光發(fā)射功率增大），放電波形得到改善，說明本文提出的激光器驅動電路一體化設計方案可行。

4 結論

本文提出了一種一體化脈沖式半導體激光器驅動電路，并基于此對整個脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)進行了布局，其方案是把激光器驅動電路作為獨立功能模塊放置于光學前端艙體中，進行一體化設計，優(yōu)化布局和走線；同時，激光器驅動電路通過光耦與激光接收電路及信號處理電路進行隔離，激光器驅動電路采取單獨供電、艙體屏蔽的措施。經(jīng)測試驗證，激光器驅動電路對激光接收和信號處理電路輻射干擾所感應出的放電干擾脈沖信號幅度由方案改進前的1V降至方案改進后的70mV，供電電壓抖動信號峰峰值由方案改進前的2.6V降至方案改進后的70mV，儲能電容放電波形得到改善，激光發(fā)射功率得到增強。本文提出的脈沖式半導體激光器驅動電路的一體化設計方法對脈沖體制激光引信在中小口徑彈種中的應用具有一定的參考作用。

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