On the Characteristics of Pulsed Laser Driver Based on RLC Oscillation

RLC振荡的脉冲激光器驱动特性 On the Characteristics of Pulsed Laser Driver Based on RLC Oscillation 1 2 first-author 李泽安(1996-)，男，河北衡水人，硕士研究生，2018年于东南大学获得学士学位，主要从事激光雷达的研究。E-mail: 2477278117@qq.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349446&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349449&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349452&type= 李泽安 (1996-)，男，河北衡水人，硕士研究生，2018年于东南大学获得学士学位，主要从事激光雷达的研究。E-mail: 2477278117@qq.com 2477278117@qq.com 1 corresp E-mail: wangyubing@ciomp.ac.cn E-mail: wangyubing@ciomp.ac.cn 王玉冰(1989-)，男，吉林长春人，博士，助理研究员，2017年于中国科学院半导体研究所获得博士学位，主要从事激光雷达的研究。E-mail: wangyubing@ciomp.ac.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349455&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349458&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349461&type= 王玉冰 (1989-)，男，吉林长春人，博士，助理研究员，2017年于中国科学院半导体研究所获得博士学位，主要从事激光雷达的研究。E-mail: wangyubing@ciomp.ac.cn wangyubing@ciomp.ac.cn 1 1 1 3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室，吉林 　 长春 　 130033 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室，吉林 　 长春 　 130033 State Key Laboratory of Luminescence and Applications, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science, Changchun 130033, China State Key Laboratory of Luminescence and Applications, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science, Changchun 130033, China 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 　 100049 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 　 100049 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 鹏城实验室，广东 　 深圳 　 518055 鹏城实验室，广东 　 深圳 　 518055 Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518055, China Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518055, China 在飞行时间测距(TOF)的脉冲激光雷达(lidar)中，激光器驱动十分重要，其性能直接影响激光雷达系统的作用距离、信噪比和虚警率等指标，是激光雷达的关键组成部分。本文在目前常见的激光器驱动电路模型基础上进行创新，在储能电容的充电电路中引入适当电感，形成电阻电感电容(RLC)二阶微分振荡电路，可以大幅度提高脉冲激光器的驱动电压，从而提高驱动电流，驱动激光器产生大功率、窄脉宽的激光。经过理论计算、软件仿真和实验验证，引入适当的电感可以将脉冲激光器的驱动电流提高85%以上，输出功率提高114%以上。 The laser driver circuit is very important in time-of-flight lidar. Its performance directly affects many key system parameters such as detection range, signal-to-noise ratio and false alarm rate. This article innovatively introduces appropriate inductance in charging circuit, forming resistance, inductance and capacitance(RLC) second-order differential oscillation circuit, which can greatly increase the driving voltage of the pulse laser and thereby increasing the driving current that drives the laser to produce high-power, narrow-pulsewidth laser. Theoretical calculations, numerical simulations and experimental verification show that driving current of pulse laser can be increased for over 85%, and the output power is increased for over 114% as an appropriate inductor is introduced into the system. 激光雷达 大功率 窄脉宽 微分振荡电路 lidar high power narrow pulse width differential oscillator circuit 1　引言 1 激光雷达是利用激光束对目标进行测量的一种遥感设备，在军事 [ 1 1 - 2 2 1-2 ] 、商用 [ 3 3 ] 和民用 [ 4 4 - 5 5 4-5 ] 等领域有着广阔的应用前景。特别是激光雷达作为遥感系统的重要传感器，在车辆自动驾驶系统中得到了广泛应用 [ 4 4 - 5 5 4-5 ] 。远距离测距的激光雷达主要采用飞行时间(TOF)测距原理。TOF是双向测距技术，脉冲激光器向目标发射连续脉冲，同时触发内部计时电路，计时器测量激光脉冲到达目标并返回接收器的时间，从而获得目标距离 [ 6 6 ] 。这就对激光器发射的脉冲信号有很高的要求:脉冲峰值功率尽可能大，从而实现更远的探测距离;脉冲宽度尽可能窄，从而实现更高的探测精度。发射机由驱动电路和激光器共同组成，驱动电路输出的脉冲电流驱动激光器产生脉冲激光。驱动电路的性能决定了激光脉冲的各项参数，例如，激光脉冲的峰值功率取决于脉冲峰值电流大小，激光脉冲的宽度取决于脉冲电流的宽度。驱动电路的性能直接影响着激光雷达系统的参数，是激光雷达系统的重要组成部分。脉冲激光器驱动电路形式多样，应用最广泛的是谐振电容放电激光器驱动电路。Glaser等 [ 7 7 ] 使用GaN效应管产生峰值电流大于35 A、脉冲宽度小于4 ns的电流脉冲。张厚博等 [ 8 8 ] 利用MOSFET开关器件驱动激光器产生峰值功率80 W、脉冲宽度3.7 ns的激光。 虽然目前脉冲激光器的驱动电路性能优越，但是对电源电压要求高，通常脉冲激光器的驱动电压要数十伏 [ 9 9 - 10 10 9-10 ] 。在一些激光雷达系统中，电源电压难以达到驱动激光器的要求，最普遍的做法是利用变压电路升压 [ 11 11 - 12 12 11-12 ] 。变压器虽然能够提高电压，但是无疑增加了系统的体积和重量，增加了元器件成本，降低了激光雷达的便携性，且变压器在工作过程中会产生很强的电磁辐射，对附近的电子器件产生很大的电磁干扰。 本文对现有的脉冲激光器驱动电路模型 [ 7 7 , 13 13 - 14 14 13-14 ] 做出创新，在储能电容充电端串联适当电感，形成RLC二阶微分振荡电路，电容电压随时间振荡，选取合适的电感，使电容在电压振荡的最高点处放电，理论上能够将激光器的驱动电压翻倍，从而使驱动电流翻倍。Tina-ti软件仿真结果与理论计算结果基本吻合。最终进行实验测量，引入充电电感后，脉冲激光器的驱动电压提高了87%，驱动电流提高了85%，输出功率提高了114%。本文提出的是一种提高脉冲激光器驱动电压的思想，不仅限于特定电路，在很多激光雷达系统中，可以通过这种方法设计驱动电路，提高脉冲激光器的输出功率。 2　激光器及驱动电路简介 1 激光器是利用受激辐射原理使光在增益介质中振荡发射激光的器件，具有体积小、重量轻、能量转换效率高的优点 [ 15 15 ] 。常见的激光器有普通半导体激光器、外腔半导体激光器、分布反馈半导体激光器和垂直腔面发射半导体激光器 [ 16 16 ] 等。激光器常见的封装类型有直插式封装 [ 17 17 - 18 18 17-18 ] 和蝶形封装 [ 19 19 - 20 20 19-20 ] 等，其中直插型封装会引入杂散电感 [ 9 9 ] 。杂散电感会降低驱动电流的峰值，增大脉宽，导致输出光功率下降、脉冲宽度大 [ 9 9 ] 。在封装过程中应尽量降低杂散电感引入量。 实验使用的激光器由滨松公司提供，如 图1 图1 所示。该器件为直插封装类型，发射激光波长为905 nm。电流-功率关系如 图2 图2 ，典型脉冲电流35 A，脉冲功率100 W，激光发光面积为360 μm×10 μm，主要用于激光雷达、危险检测系统。 目前，常用的脉冲激光器驱动电路的简化模型 [ 21 21 ] 如 图3 图3 所示，其中左侧回路是电路的充电回路，右侧回路是电路的放电回路。 U 是电源电压， R 是充电电路电阻， C 是储能电容，LD是激光器， L' 是放电回路电感， R' 是放电回路电阻，SW为高速开关。电路在充电时，SW断开，储能电容充电;放电时SW闭合，储能电容储存的电荷完全释放，驱动激光器产生脉冲激光。 本文在传统驱动电路 [ 22 22 - 24 24 22-24 ] 的基础上做出创新，如 图4 图4 所示，在驱动电路的充电端增加一只电感，这样在充电电路中有电阻、电容和电感，形成RLC二阶微分振荡电路。选取合适的电感 L (下文称之为充电电感)使得每次电容电压振荡的最高点处恰好SW开关闭合，理论上可以使脉冲激光器的驱动电压翻倍。与原电路相比只增加了一只电感，几乎不增重量，却能极大地提高激光器的输出功率。 3　理论分析 1 储能电容充电时的等效电路如 图5 图5 所示，根据基尔霍夫定律，有 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349504&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349508&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349512&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349515&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349520&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349523&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349526&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349530&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349534&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349537&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349541&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349544&type= 可以得到 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349547&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349552&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349556&type= 这是一个关于 u C ( t )的二阶常系数微分方程，通解为 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349560&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349565&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349569&type= 其中， a= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349573&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349579&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349577&type= , b= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349583&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349594&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349588&type= , c= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349599&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349609&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349604&type= U , U 、 u L ( t )、 u R ( t )和 u C ( t )分别代表电源、电感 L 、电阻 R 和电容 C 的电压。可以看出 u C ( t )随时间振荡。令 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349613&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349623&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349620&type= =0，得到 t= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349628&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349633&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349629&type= ，为电容电压最高点的时刻，此时 u C ( t )在最大值。开关闭合的时刻为 T ，令电容电压在振荡的最高点处恰好开关闭合，即 t=T ，根据 R 、 C 可以计算出对应的 L 。计算得 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349639&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349644&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349647&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349649&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349656&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349659&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349662&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349670&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349666&type= 为电容两端的最大电压，在 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349673&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349682&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349678&type= 较小的情况下，可以使激光器驱动电压从 U 提高到将近2 U ，激光器的驱动电流和输出功率也近似翻倍。 4　软件仿真 1 采用Tina-ti软件对电路进行仿真，Tina-ti软件是一个强大的仿真工具，它提供了SPICE的所有传统直流、瞬态和频率分析，具有广泛的后处理功能，适用于模拟电路和开关模式的电源电路的仿真，可以在最短的时间内启动并运行，能够轻松处理复杂的电路。 仿真电路如 图6 图6 ，其中 U 是电源电压， R 是供电导线的电阻， L 是实验引入的电感， L x 是驱动激光器的储能电感， C 是储能电容， C p 是激光器封装引起的浮动电容， L p+ 是激光器封装引起的正极电感， L w+ 为键合线引入的电感， L p- 为激光器封装引起的负极电感， C j 为激光器的结电容， R d 为激光器的串联电感， R 1 为限流电阻，SW为GaN高速开关。 4.1　充电电感对激光器脉冲电流的影响 2 取 U =40 V, R =1 Ω, C =1 nF, L x =3 nH, R 1 =2 Ω, C p =600 fF, L p+ =4 nH, L w+ =300 pH, L p- =6 nH, C j =23 pF, R d =200 mΩ，脉冲重复频率为100 kHz。根据公式 L ≈ http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349701&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349710&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=21349706&type= ，理论上 L 选用10.1 mH的电感可以使激光器的驱动电压最高，驱动电流最大。分别对 U =40 V、 L =0, U =40 V、 L =10.1 mH和 U =80 V、 L =0三种情况进行仿真，结果如 图7 图7 。 可以看出， U =40 V、 L =10.1 mH曲线与 U =80 V、 L =0曲线重合，电流峰值是 U =40 V、 L =0曲线的2倍，即在40 V电压时引入适当电感，可以使脉冲电流翻倍，等效于原80 V驱动电压的效果，与理论计算值吻合。 实际上，引入比计算值略大的电感同样能够起到很好的作用。 图8 图8 展示了分别引入10.1~15 mH的电感，与原电路相比都能起到很好地提高脉冲电流的作用。根据公式(7)，电感的大小与电路的振荡周期并不是线性关系，振荡周期与电容的初始电压也并非线性关系，所以电感的选取可以比理论计算值大一些，这就为实际电路的设计提供了很大的选择空间。另外，在图中可以看出，供电电路中电感的引入并不会增大脉冲电流的脉宽，不会产生副作用。 4.2　封装电感不同的激光器引入充电电感后的影响 2 对于不同类型的激光器，以及同种类型但封装技术不同的激光器，杂散电感的值通常不同，杂散电感越大，脉冲电流的峰值越小，脉宽越大 [ 9 9 ] 。为了探究供充电电感对不同封装类型的激光器驱动电流的提升效果，针对不同封装电感的激光器进行仿真，结果如 图9 图9 ，其中 L'=L p+ +L p- +L w+ +L x ，为放电回路的总电感。可以看出，激光器封装电感会对脉冲电流峰值产生很大影响，随着封装电感的增大，脉冲电流峰值急剧下降，且脉宽增大，二次振荡现象愈发明显，对激光雷达的探测距离和精度产生很大影响。在应用中应尽量降低封装电感的引入，使用小封装电感的激光器。电流脉冲宽度与回路总电感的值有关，与充电电感无关。且对于不同封装电感的激光器，引入充电电感后均能起到很好的提升脉冲电流的效果。 虽然充电电感对于不同封装电感的激光器都有放大驱动电流的效果，但是放大效率却并不相同，如 表1 表1 所示。可以看出随着放电回路电感的增大，充电电感对于脉冲电流的提升效率会下降。在应用中尽量选取封装电感较小的激光器，充电电感对于脉冲电流的放大效率更高。 1 1 放电回路电感 L' /nH 1 1 未引入充电电感的峰值电流 I/ A 1 1 引入充电电感后的峰值电流 I' /A 1 1 电流放大效率 1 1 1 1 1 13.62 1 1 28.69 1 1 111% 1 1 3 1 1 11.05 1 1 23.30 1 1 111% 1 1 10 1 1 7.91 1 1 16.21 1 1 105% 1 1 20 1 1 6.48 1 1 11.97 1 1 85% 4.3　不同结电容的激光器在引入充电电感后的影响 2 对于不同种类型的激光器，结电容的值通常不同，为了探究引入的电感对不同类型脉冲激光器驱动电流的提升效果，针对不同大小结电容的脉冲激光器进行仿真，结果如 图10 图10 。可以看出，对于不同结电容的激光器，其仿真曲线几乎重合，在充电电路中引入的电感都能大幅度提高激光器的驱动电流。 4.4　充电电感的内阻对激光器输出功率的影响 2 在实际应用中，电感除了表现出感性之外，自身存在内阻，尤其对于感值大、封装体积小的电感来说，其内阻是不可忽略的重要参数。为了探究不同电感的内阻对于激光器的影响，针对不同内阻大小的电感的供电电路进行仿真，结果如 图11 图11 所示，其中 R L 是充电电感的内阻。可以看出，只要电感的感值恰当，不同内阻的仿真曲线重合，基本不会影响激光器的输出功率。 5　实验结果 1 根据仿真的电路图制作激光器的驱动电路，分别在不同电源电压下引入10.1 mH的充电电感后测量激光器的输出功率。实验测量出在该功率下不加电感时所需的电源电压，计算出引入电感后的放大效率。结果如 表2 表2 ，可以看出，引入的电感能够将取得电压提高87%以上。 1 1 电源电压 U/ V 1 1 引入适当电感后激光器功率 P' /W 1 1 不加电感所需电源电压 U' /V 1 1 电压放大效率 1 1 25.0 1 1 13.57 1 1 46.8 1 1 87.2% 1 1 30.0 1 1 17.62 1 1 56.5 1 1 88.3% 1 1 35.0 1 1 21.07 1 1 66.0 1 1 88.6% 1 1 40.0 1 1 23.69 1 1 75.0 1 1 87.5% 表3 表3 为在40 V驱动电压下，充电电路引入不同的充电电感后的脉冲电流测试结果。可以看出，引入10.1~15 mH充电电感均能起到很好的提升脉冲电流和脉冲功率的效果，对电感感值精度要求不高，在实际应用中可以有很大的选择空间。 1 1 充电电感 L/ mH 1 1 峰值电流 I'/ A 1 1 电流放大效率 1 1 峰值功率 P'/ W 1 1 功率放大效率 1 1 0 1 1 4.69 1 1 0 1 1 11.1 1 1 0 1 1 10.1 1 1 8.71 1 1 85.7% 1 1 23.8 1 1 114.4% 1 1 13 1 1 8.67 1 1 84.9% 1 1 23.6 1 1 112.6% 1 1 15 1 1 8.64 1 1 84.2% 1 1 23.3 1 1 110.0% 对比 图8 图8 的仿真结果与 表3 表3 的实验结果可以看出，实验中激光器的峰值电流约为仿真结果的60%。造成这种结果的主要原因有两个:首先，Tina-Ti软件是在理想条件下对电路仿真，未考虑激光器封装过程中的杂散电阻，而杂散电阻的存在会对脉冲峰值电流产生很大影响 [ 9 9 ] ;其次，在仿真电路中各元器件的参数是理想恒定值，而实际各元器件在高电压和大电流的作用下，属性参数值都会发生改变，因此实验测量与仿真结果相比产生较大偏差。 由于激光器自身的属性，每个激光器都有阈值电流。只有驱动电流大于阈值电流时才会发光，因此激光器的输出功率与驱动电流并非严格的线性关系，引入电感后的激光器功率放大效率总是大于电流放大效率。 在电源电压40 V时，采用光电探测器和示波器测量引入充电电感前后的脉冲波形，结果如 图12 图12 。可以看出，引入电感后，激光脉冲的波形基本未发生变化，没有产生新的毛刺或杂波，脉冲的宽度也未展宽。充电电感的引入只是提升脉冲的功率，并不会对脉冲波形产生不良影响。 图12 图12 为仅用光电探测器测量的脉冲波形，手持光电探测器不能准确测量脉冲功率，图中脉冲的峰值不具有参考价值，脉冲功率用功率计测量。 6　结论 1 本文在传统的脉冲激光器驱动电路模型上做出创新，在充电电路中引入适当电感，在充电端形成微分振荡电路，能够将脉冲激光器的驱动电流提高85%，输出功率提高114%。理论计算、软件仿真与实验测量结果基本吻合。实现过程简单，成本低廉，且对引入的电感精度要求低(引入10.115 mH的电感都能起到很好的提高脉冲电流的效果)，在很大程度上能够解决供电电源达不到激光器所需电压的问题。供电端电感的取值不受激光器封装类型的影响，鲁棒性好，适用于不同的激光器。本文提出的是一种思想，不仅限于特定电路。对于一些成型的电路也能外加电感，提高激光器的输出功率，在脉冲激光雷达领域有着广阔的应用前景。 参考文献: ZIMMERMANN M , GESTWA M , KÖNIG C , et al . 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