VCSEL型脉冲激光雷达抑制浪涌电流方法的设计与分析*

赵 旸，杨逸峰，姜丽辉，杨世坤，练 达，杨元钊

(上海航天控制技术研究所·上海·201109)

0 引 言

近年来，垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)技术日益成熟，以此技术研发的产品开始广泛应用于通信、测量等行业。根据VCSEL光源的特性，驱动电流大于阈值电流时，随着驱动电流的增大，光源转化形成的光照强度也会增大。所以，目前许多激光测量产品开始采用VCSEL作为发射光源，既能满足性能要求，又可以将产品小型化，具有很大的商业前景。但脉冲型激光雷达需通过瞬间释放电来获得大电流，这就导致自身硬件电路带有较多的容性负载。在各种应用中，容性负载在上电瞬间会产生较大的浪涌电流，将会对上一级的供电系统造成严重的影响，但是如果在供电母线上增加限流电阻可能会影响到容性负载的正常放电，进而影响雷达的工作性能。因此，如何有效地消除VCSEL脉冲体制的激光雷达的上电浪涌，同时又不影响雷达的工作性能是一个关键问题。目前，减小浪涌的办法通常为使用阻容器件组成缓起电路，这类方法的缺点在于不够灵活、缓起功能作用时间有限，尤其是某些存在二次上电的电路，往往时间上无法覆盖。文中通过对负载特性进行研究分析，设计了一种新的浪涌抑制方式，通过计算出间隔上电的参数，生成相应指令来改变上电方式。该方法控制灵活，能够根据实际负载特性进行调整，对降低浪涌电流具有显著作用。

1 VCSEL脉冲激光雷达浪涌产生分析

为了使VCSEL光源正常工作，这里选择开关电路控制储能电容放电的方法，为VCSEL光源提供较大的瞬间电流；与此同时，上电瞬间，储能电容不能瞬间充满，产生大的浪涌电流。为方便分析，搭建激光器开关电路模型如图1所示。

图1 开关电路模型Fig.1 The model of switching circuit

图1中，电路的核心器件为，该器件是VCSEL光源；为了驱动该光源，增加作为储能电容；为限流电阻，用于调节整个电路电流；为VDMOS管，用于控制电路通断；为高速开关MOS管，用于控制激光光源的闪烁；CTR为上电控制信号，用于控制的开启和关闭；ILLB为激光光源闪烁频率控制信号，用于控制激光光源的闪烁频率。该电路的主要功能为产生脉冲电信号驱动激光光源工作，脉冲电流的产生主要依靠储能大电容瞬间放电，在上电瞬间电容电荷为0，此时电容视为对地短路，产生的电流如下

(1)

其中，为电容产生的瞬间电流；为电容两端的电压；为电流释放通道的阻抗，包含限流电阻与MOS管漏源电阻；为电容内阻。

根据式(1)可以看出，除限流电阻外，其他参数均由器件本身决定，无法更改大小，故只能通过改变限流电阻调整浪涌电流。但考虑到电路功能，在放电阶段产生的电流为

(2)

其中，为储能电容的电容值；为储能电容初始存储电压；为放电时间后的剩余电压，可通过以下公式计算

(3)

其中，为电流释放通道的阻抗，包含限流电阻与MOS管漏源电阻。综合式(2)和式(3)可得放电电流为

(4)

可知，当增大时放电电流会减小，电流的减小将会影响激光器正常工作，故无法通过改变限流电阻来减小浪涌电流。

2 减小浪涌电流方法分析

根据以上分析，浪涌是由于上电瞬间，整个电路形成通路，此时，大容量的储能电容没有充满电，形成对地短路，从而造成大的浪涌电流。对于一般的开关电源而言，可通过设置上电缓启动，以减小浪涌电流。本文设计了一种间隔上电的方法，通过间断上电的方式使得大容量的储能电容逐渐充满，待完全充满后再上电，从而实现消除浪涌电流的方法，具体方法分析如下。

如图2所示，上电电路的开关是通过信号CTR控制的通断决定的，为PMOS管。当栅源电压达到开启电压时，电路开启。对于，其栅源极存在寄生电容，当控制信号由高变低使能时，PWR电源通过开始对充电，当两端电压达到开启电压时，PMOS管开启，此时随着充电的继续，两端电压会继续增大直至12V。根据PMOS管的特性，开启电压越大，其导通电流的能力越强，在PMOS管导通后，其漏源极形成持续电流，此时电感变为导通状态，失去作用，导致后级电容可以瞬间放电。如果采用间隔上电方式，当控制信号CTR变为间隔脉冲信号时，每次信号使能只持续一小段时间,使得两端电压刚好达到开启电压。根据式(5)可计算出充电所需的时间

(5)

图2 间隔上电示意图Fig.2 The schematic diagram of interval power on

同时在这段时间内，12V的供电电源对储能电容充电，但由于时间较短，产生的充电电流可认为是突变电流，电感将产生自感电动势对该电流产生抑制作用，自感电动势记为

(6)

(7)

当使能信号变高时，整个电路放电。对于栅源电容，放电时间的放电后电压为

(8)

在这段时间内，储能电容也在放电，其放电后的电压为

(9)

整个过程中储能电容的电荷存量可以表示为

Δ=-

(10)

当满足Δ>0，经过多个周期后储能电容充满，此时长开电源开关，不会再出现大浪涌电流，而每次开启的电流由于受到MOS管本身的限制与电感的抑制，将远小于一次开启所产生的浪涌电流。为保证每次开启不会使得瞬间充满电，导致栅源电压过大，可通过调节限制对栅源电容的充电。

由于该方法仅限于光源上电阶段，当上电稳定后，图2中的ILLB信号驱动使得整个电路导通，激光器、开始工作，此时上电控制信号已经稳定，不会对激光器工作产生影响，也不会使激光雷达性能发生改变。由于浪涌电流的降低，尽管次数增多，但是通过印制板走线最大电流设置为5A，使得单次浪涌冲击小于母线最大通过电流，在有限的次数内不会对母线产生损伤以及其他不良影响。

3 试验验证

3.1 试验系统的组成与建立

根据以上分析，在搭建的试验系统上，验证分段上电方法对上电浪涌的有效抑制，搭建的实验平台工作流程如图3所示。

整个实验系统包括使能信号控制、供电电路、光源电路。使能信号控制由FPGA以及其外围电路组成，提供上电控制信号CTR与光源驱动信号VESEL光源，光源电路如图4所示。以及外围电路有2个作用：1)调节控制信号的状态；2)控制对栅源电容的充电速度。的作用是作为控制开关，控制后级电路供电电源的通断；、为激光光源；为限流电阻；为储能电容；为反向器，主要作用为增强VESEL光源控制信号的驱动能力；、为高速开关管，作用是通过VESEL光源信号控制、的通断以控制、发光，、的闪光频率为VESEL光源的频率。整个电路工作流程如图3所示。

图3 工作流程图Fig.3 The working flow chart

图4 试验原理图Fig.4 The schematic diagram of the test

根据试验系统设计印制板组件实物如图5所示。

(a)被测电路板

整个试验系统包括被测电路板、供电与信息处理板，其中供电电路板提供整个系统所需的电压，包括被测电路所需的12V、5V；信息处理板产生上电控制信号CTR，CTR的形式包括直接上电信号和间断上电信号，另外包括激光光源的闪烁控制信号VESEL光源。

根据第2节分析计算可知，如果瞬间上电，母线浪涌电流大概为12A，如果将母线浪涌控制在5A以内，应采用间断上电方式为：充电时间为1μs，单周期放电时间为60μs，上电次数为17次。以此方式上电可将电源次数控制在5A以内。

3.2 试验结果

采用直接上电的方式，即CTR瞬间拉高后保持不变，测量母线浪涌电流，结果如图6所示。

图6 更改前浪涌测试图Fig.6 The surge test diagram before change

采用直接上电的方式，上电浪涌为11.56A。采用间断上电的方式为：充电时间为1μs，放电间隔为61μs，上电次数为17次。结果如图7所示。

图7 更改后浪涌测试图Fig.7 The surge test diagram after change

其中蓝色波形表示上电控制信号波形，绿色波形表示上电浪涌波形。从图7可知，浪涌为2.88A，满足小于5A的要求。同时根据第2节的分析，由于没有改变限流电阻的大小，实际工作电流没有影响，故光源性能没有产生变化。

4 结 论

本文采用控制信号间断上电的浪涌抑制方式，大幅度降低了具有大容性负载的产品上电时产生的较大的上电浪涌。此外，该种方式的更改仅限于开始上电阶段，不影响上电稳定后的工作状态，对产品的性能没有影响。本文方法可以通过更改充电次数、充放电时间等参数，以适应各种大小的容性负载，并且对硬件电路没有产生更改。该方法简单有效，能够适用于各种VCSEL型激光雷达产品，对产品供电系统的保护具有良好的效果。