基于LVDS信号触发的高频808、850nm激光器

2021-10-25崔健禄于吉卓

科技信息·学术版 2021年19期

关键词：原理图激光电流

崔健禄于吉卓

摘要：相对于地面电子设备，空间星载电子设备有不可维修性，所以星载设备需要有极高的可靠性，极好的抗干扰能力和弱信号驱动能力，且体积尽量小。本文介绍LVDS信号在驱动激光器高频808nm、850nm激光器方面的应用。

关键词：LVDS;激光器;空间设备;808nm、850nm;高频

1.引言

LVDS：Low-Voltage Differential Signaling 低压差分信号。其特点有低电压电源的兼容性、低噪声、高噪声抑制能力、可靠的信号传输、能够集成到系统级IC内。

使用LVDS技术的的产品数据速率可以从几百Mbps到2Gbps。它是电流驱动的，通过在接收端放置一个负载而得到电压，当电流正向流动，接收端输出为1，反之为0。它的摆幅为250mv～450mv。

在激光器触发信号中，采用TTL接口，数据传输速率不高，传输距离较短，且抗电磁干扰（EMI）能力也比较差。会造成出光不稳定，甚至不出光的现象。触发信号不稳定也会有一定概率损坏激光器LD;在驱动源和激光头远距离分离时候也会造成上述现象。采用LVDS输出接口，可以使这些问题迎刃而解，实现数据的高速率、低噪声、远距离、高准确度的传输。

2.功能和技术指标

2.1整体功能

1）输出光功率为250mW的光信号，对应波长为808/850nm，并能根据输入的LVDS信号进行数字调制，速率1～10Mbps;

2）具备双向422串口通讯功能，能够检测并控制激光发射功率;

3）能够检测激光模块的工作温度，并通过串口通信上报有效数据。

2.2中心波长

808nm激光模块：808nm±1nm;

850nm激光模块：850nm±1nm;

2.3发射光功率

808nm激光模块：≥250mW（调节功率范围25mW～250mW，10mW步进）;

850nm激光模块：≥200mW（调节功率范围20mW～200mW，10mW步进）;

2.4光输出接口

尾纤式FC/PC，光纤长度350mm～360mm（含光纤输出头），带包层（保护）;

3.光学技术方案

3.1激光模块选择

根据客户提出的要求，选用Lumics公司的808nm、850nm光源作为发光模块，与驱动电路连接后利用光纤出光。该发光模块为单模模块，选用非保偏，不锁波长，尾纤式FC/PC的模块，定制光纤长度为350mm～360mm，带包层保护，该模块具有较好的可靠性。

常温情况下，两只光源的部分工作参数如下：

808nm激光模块：常温工作发射光功率为250mW，额定工作电流为390mA，最大工作电流为450mA，正向额定工作电压为1.95V，最大工作电压为2.15V。在脉冲<500ns，占空比≤5%条件下，发射光功率为550mW，额定工作电流为750mA。额定阈值电流为90mA，最大阈值电流为120mA。在机壳温度70℃，芯片温度25℃条件下，TEC工作电流为1.1A，工作电压为1.9V。机壳工作温度范围为-20～70℃，芯片工作温度范围为20～40℃。

850nm激光模块：常常温工作发射光功率为200mW，额定工作电流为350mA，最大工作电流为400mA，正向额定工作电压为1.9V，最大工作电压为2.0V。在脉冲<500ns，占空比≤5%条件下，发射光功率为550mW，额定工作电流为750mA。额定阈值电流为90mA，最大阈值电流为120mA。在机壳温度70℃，芯片温度25℃条件下，TEC工作电流为1.1A，工作电压为1.9V。机壳工作温度范围为-20～70℃，芯片工作温度范围为20～40℃。

图3.1为所选激光模块的图片，该模块内部有温度拣择温度的热敏电阻和检测光强的光电二极管，温控所用的TEC（半导体制冷器）也集成在内部。并且所有接口都通过模块两侧的金属引脚与外部连接，故可以直接采用直接焊接的方法将激光模块焊接到驱动电路板上，从而减小整体体积，减少线束连接。四周有四个固定孔位，需要将激光模块固定在散热块上，以达到散热的目的。

3.2激光器的功耗与散热

为了验证激光器能否在规定温度-20℃～+45℃环境下正常工作，采用ProE中的热分析模块对激光器在-20℃及+45℃下工作时进行热分析。

查询产品资料可知，两只激光器的最大电功率分别为970mW与800mW，内部TEC的工作功率为2.09W，因此将模拟发热功率设为3.5W进行热分析。在环境温度45℃下，工作热面的最高温度为66.64℃，满足产品资料中的≤70℃。

分析结果图如下，图3.2为45℃稳态热温度场示意图。

4.电学方案设计

4.1电学整体方案

整体电学大致分为四部分，供电电路、控制电路、驱动电路和采样电路。所有电路都集中在一个电路板上。并将激光模块焊接到电路板上形成一个整体。

整体电路由5V供电，由供电部分电路将5V转换成控制电路、驱动电路、采集电路所需要的电压。控制电路驱动处理外部控制信号和将内部信号向外输出的作用，驱动电路用来驱动激光模块和TEC温控，采样电路用来采集温度和光强。

图4.1为电路的组成框图及信号导向。后面将分别单独讲解以上四个部分的工作机制和原理。

4.2供电电路方案

供电电路首先将外部供电的5V经过共模电感进行滤波。然后通过升压或者降压电源芯片将滤波后的5V转化为激光模块驱动电路所需的3.3V，PID运算放大器所需的6.5V和-2V。

图4.2为5V转变为3.3V原理图。采用的是SC194BBMLTRT电源芯片，此芯片电压输入范围为3.6V-5.5V，輸出电压为3.3V，最大电流为1A，可以满足808激光模块和850激光模块的最大750mA的工作电流需求。

图4.3为5V转为6.5V和-2V的电路原理图，采用LT3472电源芯片，此芯片为升压和负输出DC/DC转换器，电压输入范围为2.2V-16V，输出电压范围能够达到-34～+34V。即输入5V后，通过调节R19和R33的电阻阻值可以控制芯片输出+6.5Vhe -2V的电压。选用可调节的芯片是为了在后续调节驱动电路时，此电压需要进行微调。

其他芯片供电及TEC都是由5V经过共模电感滤波后直接进行供电。

4.3控制电路方案

控制电路主要包括设定、采样、保护三部分。

4.3.1设定电路

设定电路指的是电流值的设定和温度控制值的设定。这两个设定值时通过外部I²C信号来控制AD5592RBRUZ芯片输出对应的电压值，将电压值输送到驱动电路中，从而控制电流大小和激光模块温控值。图4.4为设定电路的原理图。

4.3.2采样电路

采样电路包括温度采样、电流采样和PD采样。采样后的结果输入AD5592芯片，将电压值转化为I²C通信，输出到外部。

温度采样：温度采样使用的时用NTC热敏电阻进行采样，热敏电阻其阻值会随着温度变化而变化。REF200芯片是一款电流源芯片，能够提供恒定的电流。将热敏电阻串联至芯片电流输出口和GND之间，这样温度变化导致热敏电阻阻值的变化就变成了电压的变化。电压值输入AD5592，将电压值转化为I²C通信，输出到外部。

电流采样：电流采样是采用采样电阻与激光模块串联的方式，已知采样电阻阻值且固定不变，随着电流变化，采样电阻两端电压也随之变化。将电压输入AD5592，将电压值转化为I²C通信，输出到外部。图4.6为电流采样电路原理图。

PD采样：利用激光模块自带的内部光电二极管，光电二极管会根据照射光的强度产生相对应的电流，照射光越强，电流越大。将光电二极管反向偏置，在光电二极管的引脚加+5V电压，阳极串联10k電阻接地，这样光强的变化就转变为电压变化，将变化的电压输入AD5592，将电压值转化为I²C通信，输出到外部。图4.7为PD采样电路原理图。

4.3.3保护电路

保护电路的作用是在驱动电流超过设定保护阈值电流时切断激光模块供给电源芯片的输出，从而达到切断电流，保护激光模块。

将采样电流的采样值和设定值利用运算放大器进行比较。保护阈值通过电阻分压去设定，可以根据需要设定值去调剂分压电阻。

当采样电流值正常，未设定阈值时，比较器输出低电平。FAL信号为高电平，外界判定系统正常，当采样电流值超过设定阈值时，比较器输出高电平，FAL和BH信号被拉低，FAL为低电平会被外界判定系统过流，BH信号会拉低供电芯片的使能端，是电源芯片停止工作，最终切断电流。这样保护电路既起到了向外界报警的作用，也起到了保护激光模块的作用。图4.8为保护电路原理图。

4.4驱动电路方案

驱动电路分为LD驱动电路和TEC驱动电路，LD驱动电路是驱动激光模块里面的LD泵浦，使之产生808、850nm激光，温控驱动是给与激光模块中的TEC一定电流，使其控制LD的温度。

4.4.1LD驱动电路

LD驱动电路首先把LVDS信号由高差差分驱动芯片SN65LVDS2芯片接收并转换为TTL电平。在使能信号为高时，差分驱动芯片的输出被拉低，无法出光，当使能信号为低时，差分芯片输出的信号加载到模拟开关ADG752上，模拟芯片会输出频率和LVDS信号一致，幅值与电流基准一致的一个信号。如图4.9示。

处理完LVDS信号和电流基准后，将电流设值与经过采样电阻采样的实际电流值进行PID运算，差分放大后产生驱动信号控制MOS管的驱动信号，通过控制开关芯片的开通时间来控制LD电流的加载时间。LD电流驱动电路的原理框图如图4.10所示。

4.4.2TEC驱动电路

TEC有加热与制冷两种模式，由流经TEC电流的方向决定;TEC温度变化的速率由TEC电流的大小决定。根据TEC温度变化的规律，温控电路采用MAX1968芯片做LD驱动电路，温控电路中将温度基准与TEC实时温度经过差值放大电路产生加热制冷方向及温度值。图4.11为TEC驱动电路原理图。

4.5 PCB设计

根据上述所有原理，对电路部件进行合理布局，提高系统均匀散热性;发热量大的元件适当增加元器件之间的排列距离;功率器件通过导热器件紧贴散热壁安装。温度敏感元件远离发热器件。最终完成PCB如图4.12所示。

印制板整体矩形尺寸为63cm*40cm。中间空白区域为激光模块焊接处，右边留有激光模块尾纤输出口。

5.结构方案设计

根据印制板63cm*40cm的尺寸和印制板的预留安装空位，将整体的外壳结构设计为65cm*45cm长方体，图5.1为整体激光发射模块尺寸示意图。