EPC9150開發(fā)板：高電流脈沖激光二極管驅(qū)動器的快速入門指南

在激光二極管驅(qū)動領(lǐng)域，EPC9150開發(fā)板是一款備受關(guān)注的產(chǎn)品。它專為驅(qū)動高電流脈沖激光二極管而設(shè)計，能實現(xiàn)總脈沖寬度小于3 ns（半高全寬）的脈沖輸出。下面將詳細(xì)介紹這款開發(fā)板的相關(guān)信息。

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1. 開發(fā)板概述

1.1 基本配置

EPC9150開發(fā)板配備了EPC2034C增強(qiáng)模式（eGaN?）場效應(yīng)晶體管（FET），這是一款200 V的FET，能夠提供高達(dá)214 A的電流脈沖。同時，開發(fā)板還附帶了EPC9989轉(zhuǎn)接板，該轉(zhuǎn)接板包含一系列5 mm方形的可分離轉(zhuǎn)接PCB，上面有不同激光器和其他負(fù)載的安裝焊盤，方便用戶安裝多種不同的激光器或其他負(fù)載。不過，開發(fā)板本身不包含激光二極管或負(fù)載，需要用戶自行提供。

1.2 功率級設(shè)計

開發(fā)板的功率級由德州儀器的LMG1020柵極驅(qū)動器驅(qū)動的接地參考eGaN FET組成。印刷電路板的設(shè)計旨在最小化功率環(huán)路電感，同時保持激光二極管或其他負(fù)載的安裝靈活性。板上還包含多個用于電壓和放電電容電流的無源探頭，并配備了高帶寬SMA連接器用于輸入和傳感。此外，開發(fā)板還集成了一個能夠?qū)崿F(xiàn)亞納秒精度的窄脈沖發(fā)生器，用戶也可以直接將輸入信號發(fā)送到柵極驅(qū)動器。開發(fā)板默認(rèn)設(shè)計為3.3 V邏輯電平運行，但配備了邏輯電平轉(zhuǎn)換器和差分接收器，以適應(yīng)不同的使用場景。它還可用于其他需要接地參考eGaN FET的應(yīng)用，如E類放大器等。

2. 快速啟動步驟

2.1 安全考慮

在開始使用開發(fā)板之前，務(wù)必審查激光安全注意事項，遵守所有必要的激光安全要求，包括使用個人防護(hù)設(shè)備（PPE）。如有必要，可咨詢合格的安全人員。

2.2 安裝負(fù)載

在關(guān)閉電源的情況下，安裝激光二極管U2或其他負(fù)載?？梢允褂酶綆У腅PC9989轉(zhuǎn)接板來安裝激光或其他負(fù)載，具體安裝方法在“LASER DIODE OR LOAD CONSIDERATIONS”部分有詳細(xì)討論。

2.3 連接電源

關(guān)閉電源，將輸入電源總線連接到 +VBUS（J11），將接地/返回連接到 –VBUS（J11）或GND。同時，將邏輯電源（5.5 - 12 V DC）連接到 +VLogic (J10)，將接地返回連接到 –VLogic (J10) 或GND。

2.4 連接信號源

關(guān)閉電源，將信號脈沖發(fā)生器連接到輸入J7。J7在EPC9150上已端接50 Ω，默認(rèn)設(shè)計為3.3 V邏輯輸入，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行更改。

2.5 連接測量設(shè)備

將剩余的測量SMA輸出連接到示波器，使用50 Ω電纜，并將示波器輸入設(shè)置為50 Ω阻抗。有關(guān)更多信息，可參考“MEASUREMENT CONSIDERATIONS”部分，其中包含每個輸出的衰減值。

2.6 開啟電源和信號源

依次開啟邏輯電源電壓、總線電壓和脈沖源，通過輸出和其他所需的探測來觀察開關(guān)操作?？梢允褂眠m當(dāng)?shù)碾姽?a target="_blank">接收器觀察激光二極管的輸出。

2.7 調(diào)整參數(shù)

在系統(tǒng)運行后，可根據(jù)需要在工作范圍內(nèi)調(diào)整總線電壓、輸入脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率（PRF），觀察系統(tǒng)行為。

2.8 關(guān)閉系統(tǒng)

關(guān)閉系統(tǒng)時，請按相反的步驟進(jìn)行操作。

3. 工作原理

EPC9150既是一個演示板，也是一個靈活的開發(fā)平臺。它開箱即用，但設(shè)計為易于修改以適應(yīng)廣泛的應(yīng)用。其基本工作原理是通過激光二極管對儲能電容 {C2, C3, C4, C5, C6} 進(jìn)行放電，然后通過電阻組 {R1, R3, R6, R7} 和鐵氧體磁珠 {FB1, FB2} 對電容進(jìn)行充電。在與現(xiàn)代表面貼裝激光器配合使用時，它設(shè)計為產(chǎn)生諧振半正弦電流脈沖，放電電容和寄生功率環(huán)路電感形成諧振網(wǎng)絡(luò)。

放電脈沖可以通過兩個不同的輸入進(jìn)行控制。默認(rèn)情況下，通過輸入脈沖控制，該脈沖通過SMA連接器J7輸入，J7在演示板上已端接50 Ω。輸入J7連接到電平轉(zhuǎn)換器U5，電平轉(zhuǎn)換器的輸出通過窄脈沖發(fā)生器（NPG）傳遞到柵極驅(qū)動器U3。當(dāng)輸入信號變?yōu)楦唠娖綍r，柵極驅(qū)動器開啟Q1，使電容通過激光二極管U2放電。如果NPG被禁用，當(dāng)輸入信號變?yōu)榈碗娖綍r，Q1關(guān)閉。如果功率環(huán)路中仍有電流，可選二極管D1 - D5可以導(dǎo)通，幫助防止激光和FET過壓。如果NPG被啟用，用戶可以獲得一個短輸出脈沖，其寬度可達(dá)到柵極驅(qū)動IC U3的能力下限。

此外，開發(fā)板還提供了LVDS系統(tǒng)的備用輸入，通過J9提供LVDS兼容輸入。J9還可用于提供輸入邏輯電源VLogic，并使EPC9150的V3V3（3.3 V）和V5V0（5.0 V）調(diào)節(jié)器輸出可供最終用戶使用。

4. 激光二極管或負(fù)載考慮

4.1 轉(zhuǎn)接板的使用

由于許多激光供應(yīng)商的安裝焊盤不同，為了優(yōu)化驅(qū)動器性能并保持靈活性，EPC9150 Rev. 2配備了EPC9989轉(zhuǎn)接板。轉(zhuǎn)接板上有各種5 mm方形的可分離轉(zhuǎn)接PCB，其頂面有不同的焊盤，可容納多個表面貼裝激光二極管、MMCX連接器和多種不同的負(fù)載模式。轉(zhuǎn)接板安裝在EPC9150和激光二極管或其他負(fù)載之間。

4.2 安裝步驟

推薦的轉(zhuǎn)接板使用步驟如下：

1. 在EPC9150 PCB的U2焊盤上涂抹焊膏。
2. 在轉(zhuǎn)接板頂面的適當(dāng)焊盤上涂抹焊膏。
3. 將所需的轉(zhuǎn)接板底面朝向EPC9150的U2焊盤小心放置。
4. 將激光二極管或所需負(fù)載放置在轉(zhuǎn)接板上。
5. 使用推薦的焊接溫度曲線進(jìn)行回流焊接，建議使用能夠滿足推薦焊接規(guī)格的回流爐，用戶也可根據(jù)經(jīng)驗使用其他回流方法。

4.3 功率環(huán)路電感

功率環(huán)路電感（包括激光二極管的電感）是決定激光脈沖形狀的主要因素。開發(fā)板在設(shè)計時已盡力最小化功率環(huán)路電感，同時最大化激光二極管的選擇和方向。放電電容、電流感測電阻和eGaN FET必須緊密安裝以減小電感。因此，用戶在安裝激光或更改功率環(huán)路中的其他組件時，必須小心避免損壞任何組件。

4.4 激光二極管參數(shù)限制

激光二極管的電流脈沖可能導(dǎo)致數(shù)百瓦到超過1 kW的峰值功率。用于激光雷達(dá)應(yīng)用的激光二極管在設(shè)計時已考慮到這一點，但激光封裝的熱限制意味著必須遵守脈沖寬度、占空比和脈沖重復(fù)頻率的限制。用戶應(yīng)仔細(xì)閱讀激光二極管的數(shù)據(jù)手冊，并遵循制造商的建議。

5. 測量考慮

5.1 SMA測試點

開發(fā)板上提供了SMA插孔，用于測量電路中的多個電壓，包括柵極驅(qū)動IC輸入、Q1柵極電壓、Q1漏極電壓、儲能電容的充電電壓和放電電容電流測量分流器的感測電壓。所有測量點都設(shè)計為端接50 Ω，因此在查看波形時，示波器輸入應(yīng)設(shè)置為50 Ω輸入。理想情況下，未使用的輸入也應(yīng)端接50 Ω負(fù)載，以防止探頭產(chǎn)生額外的諧振。Q1漏極電壓和放電電容感測電壓在板上已端接，可大大減少這種影響，在實際應(yīng)用中，剩余的諧振可能較小或可以容忍，用戶應(yīng)根據(jù)自己的需求進(jìn)行驗證。

5.2 探頭特性

除分流測量外，所有感測測量SMA連接器都使用傳輸線電壓探頭原理，以在亞納秒時間尺度上獲得波形保真度。它們已被驗證與泰克P9158 3 GHz傳輸線探頭產(chǎn)生近乎相同的結(jié)果。由于其設(shè)計，它們具有內(nèi)置的衰減因子。測量節(jié)點處探頭的阻抗相對較小（約1 kΩ至2 kΩ）。為了最小化低探頭阻抗對演示板操作的影響，并防止探頭輸入電阻過熱，輸出電壓（J3）和電容電壓（J1）探頭在PCB上有直流阻斷電容。因此，當(dāng)脈沖寬度和其他波形特征接近探頭的RC時間常數(shù)時，測量的脈沖波形會出現(xiàn)下垂現(xiàn)象。如果用戶習(xí)慣使用更傳統(tǒng)的示波器探頭，應(yīng)考慮這些因素。如果使用長脈沖寬度，下垂現(xiàn)象會變得明顯，此時可以使用外部探頭來測量這些較慢的波形。

5.3 電流分流器

電流分流器用于估計放電電容電流。開發(fā)板通過精心選擇電阻和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，盡力減少電流分流器的電感效應(yīng)，以補(bǔ)償分流器的等效串聯(lián)電阻。然而，分流器是在電流測量精度和最小化對激光驅(qū)動器性能的影響之間進(jìn)行的折衷。如果需要更準(zhǔn)確的分流波形測量，可以將分流電阻替換為在所需帶寬下提供更高精度的電阻，但這將需要更高的電阻值，這會導(dǎo)致電容電壓測量誤差增加，并增加功率損耗。此外，電容電流還包括D1 - D5（如果包含）和PCB電容的電流。

6. 其他特性

6.1 窄脈沖發(fā)生器

許多信號發(fā)生器無法產(chǎn)生準(zhǔn)確的短脈沖，EPC9150集成了窄脈沖發(fā)生器（NPG）功能，可根據(jù)德州儀器LMG1020數(shù)據(jù)手冊第8.2.2.2節(jié)中的方法獲得寬度可調(diào)的窄輸出脈沖。這通過電位器P1進(jìn)行控制。

NPG通過將J4上的跳線移動到最左側(cè)位置來啟用。啟用NPG后，輸入脈沖信號被分成單獨的開啟和關(guān)閉路徑。開啟路徑通過緩沖器U2、固定RC延遲 {R18, C15} 和緩沖器U4連接到柵極驅(qū)動器U3的IN+（非反相）輸入，從而開啟輸出Q1。關(guān)閉路徑類似，但有一個可調(diào)的RC延遲 {P1, R23, C17}。這個延遲脈沖被發(fā)送到U3的IN-（反相）輸入。第二條路徑的較長延遲意味著在一段時間后，U3的IN-輸入變?yōu)楦唠娖?，Q1關(guān)閉，結(jié)束輸出脈沖。電位器P1用于調(diào)整這個關(guān)閉延遲和最終的輸出脈沖寬度。需要注意的是，最小延遲設(shè)置會使開啟和關(guān)閉路徑的延遲大致相等，這將導(dǎo)致零寬度脈沖。由于柵極驅(qū)動器U3的最小脈沖寬度規(guī)格大于1 ns，因此U3決定了可實現(xiàn)的最小輸出脈沖寬度。延遲路徑中的小誤差不會對輸出產(chǎn)生顯著影響。使用NPG可獲得的最大脈沖寬度約為20 ns。

使用NPG時，輸入脈沖應(yīng)比所需輸出脈沖至少長10 ns。如果可能，40 ns的輸入脈沖將允許在不進(jìn)行P1以外的額外調(diào)整的情況下，在其整個范圍內(nèi)調(diào)整NPG。

6.2 LVDS輸入

EPC9150可以通過LVDS輸入進(jìn)行控制。用戶可以通過8針接頭J9使用該輸入。有關(guān)引腳分配，請參考原理圖（圖7）。要啟用LVDS輸入，將J4上的跳線移動到上方位置（圖6）。

6.3 可修改特性

• 鉗位二極管：EPC9150上留有空間用于安裝鉗位二極管（D1 - D5）。雖然二極管可以為FET Q1和激光D3提供一定的保護(hù)，但它們具有寄生電感和電容，可能會在極高速時降低性能。因此，它們未安裝，用戶可根據(jù)特定應(yīng)用決定是否需要。
• 分流電阻：可以適當(dāng)增加分流電阻的值以提高放電電容電流感測的準(zhǔn)確性。這需要更改分流補(bǔ)償電容C7以適應(yīng)電阻和電感的變化。需要注意的是，在將極低電感插入功率環(huán)路的同時準(zhǔn)確測量電流是極具挑戰(zhàn)性的，必須考慮許多因素。如果不需要感測，可以用銅箔替換電阻以獲得最低的電感。
• 儲能電容和充電電阻：儲能電容 {C2, C3, C4, C5, C6} 和充電電阻 {R1, R3, R6, R7} 的值可以根據(jù)需要進(jìn)行修改。在極端情況下，如果不需要電容放電脈沖，可以將電阻減小到0 Ω。
• 輸入邏輯電平：通過更改R31，可以將輸入邏輯電平從3.3 V邏輯降低到2.5 V或1.8 V。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱U5的數(shù)據(jù)手冊。

7. 注意事項

EPC9150開發(fā)板僅用于產(chǎn)品評估目的，不用于商業(yè)用途，也未獲得FCC批準(zhǔn)用于轉(zhuǎn)售。在評估板上更換組件時，只能使用快速入門指南中零件清單（或物料清單）上顯示的零件。如有任何問題，請聯(lián)系授權(quán)的EPC代表。該開發(fā)板旨在由經(jīng)過認(rèn)證的專業(yè)人員在實驗室環(huán)境中按照適當(dāng)?shù)陌踩绦蚴褂?，使用風(fēng)險自負(fù)。

作為評估工具，該開發(fā)板未設(shè)計為符合歐盟電磁兼容性指令或任何其他此類指令或法規(guī)。由于開發(fā)板的構(gòu)建有時取決于產(chǎn)品供應(yīng)情況，開發(fā)板可能包含不符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的組件或組裝材料。高效功率轉(zhuǎn)換公司（EPC）不保證所購買的開發(fā)板100%符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。評估板（或套件）僅用于演示目的，開發(fā)板和本快速入門指南均不構(gòu)成銷售合同，也不就相關(guān)應(yīng)用或產(chǎn)品提供任何明示或暗示的保證。

總之，EPC9150開發(fā)板為電子工程師提供了一個強(qiáng)大而靈活的平臺，用于開發(fā)和評估高電流脈沖激光二極管驅(qū)動器。通過充分了解其特性和使用方法，工程師們可以更好地發(fā)揮其性能，實現(xiàn)各種應(yīng)用需求。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。