基于LVDS信號觸發(fā)的高頻808、850nm激光器

崔健祿 于吉卓

摘要：相對于地面電子設備，空間星載電子設備有不可維修性，所以星載設備需要有極高的可靠性，極好的抗干擾能力和弱信號驅動能力，且體積盡量小。本文介紹LVDS信號在驅動激光器高頻808nm、850nm激光器方面的應用。

關鍵詞：LVDS;激光器;空間設備;808nm、850nm;高頻

1.引言

LVDS：Low-Voltage Differential Signaling 低壓差分信號。其特點有低電壓電源的兼容性、低噪聲、高噪聲抑制能力、可靠的信號傳輸、能夠集成到系統(tǒng)級IC內。

使用LVDS技術的的產品數(shù)據(jù)速率可以從幾百Mbps到2Gbps。它是電流驅動的，通過在接收端放置一個負載而得到電壓，當電流正向流動，接收端輸出為1，反之為0。它的擺幅為250mv～450mv。

在激光器觸發(fā)信號中，采用TTL接口，數(shù)據(jù)傳輸速率不高，傳輸距離較短，且抗電磁干擾（EMI）能力也比較差。會造成出光不穩(wěn)定，甚至不出光的現(xiàn)象。觸發(fā)信號不穩(wěn)定也會有一定概率損壞激光器LD;在驅動源和激光頭遠距離分離時候也會造成上述現(xiàn)象。采用LVDS輸出接口，可以使這些問題迎刃而解，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速率、低噪聲、遠距離、高準確度的傳輸。

2.功能和技術指標

2.1整體功能

1） 輸出光功率為250mW的光信號，對應波長為808/850nm，并能根據(jù)輸入的LVDS信號進行數(shù)字調制，速率1～10Mbps;

2） 具備雙向422串口通訊功能，能夠檢測并控制激光發(fā)射功率;

3） 能夠檢測激光模塊的工作溫度，并通過串口通信上報有效數(shù)據(jù)。

2.2中心波長

808nm激光模塊：808nm±1nm;

850nm激光模塊：850nm±1nm;

2.3發(fā)射光功率

808nm激光模塊：≥250mW（調節(jié)功率范圍25mW～250mW，10mW步進）;

850nm激光模塊：≥200mW（調節(jié)功率范圍20mW～200mW，10mW步進）;

2.4光輸出接口

尾纖式FC/PC，光纖長度350mm～360mm（含光纖輸出頭），帶包層（保護）;

3.光學技術方案

3.1激光模塊選擇

根據(jù)客戶提出的要求，選用Lumics公司的808nm、850nm光源作為發(fā)光模塊，與驅動電路連接后利用光纖出光。該發(fā)光模塊為單模模塊，選用非保偏，不鎖波長，尾纖式FC/PC的模塊，定制光纖長度為350mm～360mm，帶包層保護，該模塊具有較好的可靠性。

常溫情況下，兩只光源的部分工作參數(shù)如下：

808nm激光模塊：常溫工作發(fā)射光功率為250mW，額定工作電流為390mA，最大工作電流為450mA，正向額定工作電壓為1.95V，最大工作電壓為2.15V。在脈沖<500ns，占空比≤5%條件下，發(fā)射光功率為550mW，額定工作電流為750mA。額定閾值電流為90mA，最大閾值電流為120mA。在機殼溫度70℃，芯片溫度25℃條件下，TEC工作電流為1.1A，工作電壓為1.9V。機殼工作溫度范圍為-20～70℃，芯片工作溫度范圍為20～40℃。

850nm激光模塊：常常溫工作發(fā)射光功率為200mW，額定工作電流為350mA，最大工作電流為400mA，正向額定工作電壓為1.9V，最大工作電壓為2.0V。在脈沖<500ns，占空比≤5%條件下，發(fā)射光功率為550mW，額定工作電流為750mA。額定閾值電流為90mA，最大閾值電流為120mA。在機殼溫度70℃，芯片溫度25℃條件下，TEC工作電流為1.1A，工作電壓為1.9V。機殼工作溫度范圍為-20～70℃，芯片工作溫度范圍為20～40℃。

圖3.1為所選激光模塊的圖片，該模塊內部有溫度揀擇溫度的熱敏電阻和檢測光強的光電二極管，溫控所用的TEC（半導體制冷器）也集成在內部。并且所有接口都通過模塊兩側的金屬引腳與外部連接，故可以直接采用直接焊接的方法將激光模塊焊接到驅動電路板上，從而減小整體體積，減少線束連接。四周有四個固定孔位，需要將激光模塊固定在散熱塊上，以達到散熱的目的。

3.2激光器的功耗與散熱

為了驗證激光器能否在規(guī)定溫度-20℃～+45℃環(huán)境下正常工作，采用ProE中的熱分析模塊對激光器在-20℃及+45℃下工作時進行熱分析。

查詢產品資料可知，兩只激光器的最大電功率分別為970mW與800mW，內部TEC的工作功率為2.09W，因此將模擬發(fā)熱功率設為3.5W進行熱分析。在環(huán)境溫度45℃下，工作熱面的最高溫度為66.64℃，滿足產品資料中的≤70℃。

分析結果圖如下，圖3.2為45℃穩(wěn)態(tài)熱溫度場示意圖。

4.電學方案設計

4.1電學整體方案

整體電學大致分為四部分，供電電路、控制電路、驅動電路和采樣電路。所有電路都集中在一個電路板上。并將激光模塊焊接到電路板上形成一個整體。

整體電路由5V供電，由供電部分電路將5V轉換成控制電路、驅動電路、采集電路所需要的電壓。控制電路驅動處理外部控制信號和將內部信號向外輸出的作用，驅動電路用來驅動激光模塊和TEC溫控，采樣電路用來采集溫度和光強。

圖4.1為電路的組成框圖及信號導向。后面將分別單獨講解以上四個部分的工作機制和原理。

4.2供電電路方案

供電電路首先將外部供電的5V經過共模電感進行濾波。然后通過升壓或者降壓電源芯片將濾波后的5V轉化為激光模塊驅動電路所需的3.3V，PID運算放大器所需的6.5V和-2V。

圖4.2為5V轉變?yōu)?.3V原理圖。采用的是SC194BBMLTRT電源芯片，此芯片電壓輸入范圍為3.6V-5.5V，輸出電壓為3.3V，最大電流為1A，可以滿足808激光模塊和850激光模塊的最大750mA的工作電流需求。

圖4.3為5V轉為6.5V和-2V的電路原理圖，采用LT3472電源芯片，此芯片為升壓和負輸出DC/DC轉換器，電壓輸入范圍為2.2V-16V，輸出電壓范圍能夠達到-34～+34V。即輸入5V后，通過調節(jié)R19和R33的電阻阻值可以控制芯片輸出+6.5Vhe -2V的電壓。選用可調節(jié)的芯片是為了在后續(xù)調節(jié)驅動電路時，此電壓需要進行微調。

其他芯片供電及TEC都是由5V經過共模電感濾波后直接進行供電。

4.3控制電路方案

控制電路主要包括設定、采樣、保護三部分。

4.3.1設定電路

設定電路指的是電流值的設定和溫度控制值的設定。這兩個設定值時通過外部I2C信號來控制AD5592RBRUZ芯片輸出對應的電壓值，將電壓值輸送到驅動電路中，從而控制電流大小和激光模塊溫控值。圖4.4為設定電路的原理圖。

4.3.2采樣電路

采樣電路包括溫度采樣、電流采樣和PD采樣。采樣后的結果輸入AD5592芯片，將電壓值轉化為I2C通信，輸出到外部。

溫度采樣：溫度采樣使用的時用NTC熱敏電阻進行采樣，熱敏電阻其阻值會隨著溫度變化而變化。REF200芯片是一款電流源芯片，能夠提供恒定的電流。將熱敏電阻串聯(lián)至芯片電流輸出口和GND之間，這樣溫度變化導致熱敏電阻阻值的變化就變成了電壓的變化。電壓值輸入AD5592，將電壓值轉化為I2C通信，輸出到外部。

電流采樣：電流采樣是采用采樣電阻與激光模塊串聯(lián)的方式，已知采樣電阻阻值且固定不變，隨著電流變化，采樣電阻兩端電壓也隨之變化。將電壓輸入AD5592，將電壓值轉化為I2C通信，輸出到外部。圖4.6為電流采樣電路原理圖。

PD采樣：利用激光模塊自帶的內部光電二極管，光電二極管會根據(jù)照射光的強度產生相對應的電流，照射光越強，電流越大。將光電二極管反向偏置，在光電二極管的引腳加+5V電壓，陽極串聯(lián)10k電阻接地，這樣光強的變化就轉變?yōu)殡妷鹤兓?，將變化的電壓輸入AD5592，將電壓值轉化為I2C通信，輸出到外部。圖4.7為PD采樣電路原理圖。

4.3.3保護電路

保護電路的作用是在驅動電流超過設定保護閾值電流時切斷激光模塊供給電源芯片的輸出，從而達到切斷電流，保護激光模塊。

將采樣電流的采樣值和設定值利用運算放大器進行比較。保護閾值通過電阻分壓去設定，可以根據(jù)需要設定值去調劑分壓電阻。

當采樣電流值正常，未設定閾值時，比較器輸出低電平。FAL信號為高電平，外界判定系統(tǒng)正常，當采樣電流值超過設定閾值時，比較器輸出高電平，F(xiàn)AL和BH信號被拉低，F(xiàn)AL為低電平會被外界判定系統(tǒng)過流，BH信號會拉低供電芯片的使能端，是電源芯片停止工作，最終切斷電流。這樣保護電路既起到了向外界報警的作用，也起到了保護激光模塊的作用。圖4.8為保護電路原理圖。

4.4驅動電路方案

驅動電路分為LD驅動電路和TEC驅動電路，LD驅動電路是驅動激光模塊里面的LD泵浦，使之產生808、850nm激光，溫控驅動是給與激光模塊中的TEC一定電流，使其控制LD的溫度。

4.4.1LD驅動電路

LD驅動電路首先把LVDS信號由高差差分驅動芯片SN65LVDS2芯片接收并轉換為TTL電平。在使能信號為高時，差分驅動芯片的輸出被拉低，無法出光，當使能信號為低時，差分芯片輸出的信號加載到模擬開關ADG752上，模擬芯片會輸出頻率和LVDS信號一致，幅值與電流基準一致的一個信號。如圖4.9示。

處理完LVDS信號和電流基準后，將電流設值與經過采樣電阻采樣的實際電流值進行PID運算，差分放大后產生驅動信號控制MOS管的驅動信號，通過控制開關芯片的開通時間來控制LD電流的加載時間。LD電流驅動電路的原理框圖如圖4.10所示。

4.4.2TEC驅動電路

TEC有加熱與制冷兩種模式，由流經TEC電流的方向決定;TEC溫度變化的速率由TEC電流的大小決定。根據(jù)TEC溫度變化的規(guī)律，溫控電路采用MAX1968芯片做LD驅動電路，溫控電路中將溫度基準與TEC實時溫度經過差值放大電路產生加熱制冷方向及溫度值。圖4.11為TEC驅動電路原理圖。

4.5 PCB設計

根據(jù)上述所有原理，對電路部件進行合理布局，提高系統(tǒng)均勻散熱性;發(fā)熱量大的元件適當增加元器件之間的排列距離;功率器件通過導熱器件緊貼散熱壁安裝。溫度敏感元件遠離發(fā)熱器件。最終完成PCB如圖4.12所示。

印制板整體矩形尺寸為63cm*40cm。中間空白區(qū)域為激光模塊焊接處，右邊留有激光模塊尾纖輸出口。

5.結構方案設計

根據(jù)印制板63cm*40cm的尺寸和印制板的預留安裝空位，將整體的外殼結構設計為65cm*45cm長方體，圖5.1為整體激光發(fā)射模塊尺寸示意圖。

圖5.1和圖5.2分別為激光發(fā)射模塊外形示意圖和內部結構示意圖。

6.總結

通過試驗摸索和工藝改進，本項目研制的鑒定樣機通過了鑒定級的環(huán)境試驗驗收，波長、脈沖功率均達到技術要求。項目最終順利完成了一套正樣產品的交付。

參考文獻

[1]李丹，蔡靜.基于半導體制冷片的高精度溫控電路系統(tǒng)設計[J].電子制作，2017，（09）

[2]趙忠文，曾巒，熊偉.LVDS技術分析和設計應用[J].指揮技術學院學報，2001，（12）

[3]馮勇，楊旭.白光LED可控恒流源驅動系統(tǒng)設計[J].電器開關.2008（4）

[4]王立剛，建天成，牟海維，劉強，付天舒.基于光電二極管檢測電路的噪聲分析和電路設計[J].大慶石油學院學報.2009（2）

[5]陳彥濤.光電二極管放大電路設計[D].電子器件.2007（6）