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设计和测试快速激光管驱动器电路   马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)    自从 Theodore H Maiman 在50年前发明激光器以来，激光被广泛应用到各种技术领域，例如通信，工业生产，以及传感器和测量设备。通信行业关注的是高达GHz范围的高速传输频率，工业生产主要关注的目标通常是高速的超短范围内纳秒级脉冲光功率。在传感器和测量应用的挑战是设计快速激光驱动器电路，这是一个非常苛求的任务。 下面的文章描述激光驱动器电路设计，PCB布局和光学测量注意事项，以及设计一个脉冲宽度短到2.5ns的理想解决方案。                        目录 1） 集成激光驱动器解决方案 2） 快速激光驱动器电路设计注意事项 3） 布局要求 4） 测量激光脉冲 4.1 ）从示波器到光学仪器 4.2 ）从计算机到光学 USB 仪器 5） 设计检查 6） 概要         1 ）集成激光驱动器解决方案   传统的激光二极管驱动器电路通常使用分立元件，用于低成本和低性能应用。 集成激光驱动器的优势解决 方案是:   ü           提高输出功率的稳定性（1%或优于1%） ü           减少板子空间（减少80%以上） ü           错误监控 ü           较好的动态性能 ü           提高了可靠性/MTBF   用于快速开关，集成驱动器是必须的，因为减小PCB分布电感和分布电容是允许更快速信号变化的主要方法。   2 ）快速激光驱动器电路设计注意事项   用于测量和传感器领域的激光器光源通常是半导体二极管激光器，光学输出功率从几个微瓦到几百个毫瓦。集成电路可方便地和安全地控制半导体激光二极管，光谱覆盖整个可见光到红外光范围。最新研发的全类型集成激光驱动器解决方案支持开关频率高达 155 MHz 以及激光驱动电流高达 300 mA 。图 1 所示的原理图是 iC-NZN 的应用电路。它的工作电压从 3.3V 到 5.5V ，可以去驱动 N,M 和 P 型激光二极管带或者不带监控二极管。   图 1. 全类型激光二极管驱动器电路   支持两种工作模式，自动功率控制（APC）和自动电流控制（ACC）。光学输出功率各自不同。驱动电流由电阻PMD/RMD设置，如上面图1所示。如果采用一个合适的PCB布局，脉冲宽度可以达到小于3.5ns以及脉冲上升沿和下降沿时长（t r /t f ）为1.5ns（最大）。在这种情况下应该采用LVDS输入信号替代TTL电平来减少EMI。iC-NZN的特点是提供了一个低边输出（专门为N型激光二极管优化），iC-NZP的特点是提供了一个高边输出（专门为P型激光二极管优化）。为了保护激光二极管，特别是在APC模式，通过管脚VDDA的最大驱动电流可以由电阻RSI来限制。   对于更高功率的激光脉冲，例如电流开关 iC-HG ，提供一个集成的解决方案。它的特点是可提供 6 个带尖峰释放的电流开关，每个开关切换电流为 500mA ，而且这些开关可以并联起来达到 3A DC 电流。脉冲宽度可以低至 2.5ns ，峰值电流可达 9A 。最大开关频率 200MHz ，上升和下降沿时长 1ns （最大）。最大占空比取决功率耗散和 iC-HG 的散热情况。   图 2 ： CW 驱动电流可达 3A ，脉冲驱动可达 9A 的激光驱动电路   输入 EN1 和 EN2 使用 LVDS 模式带 100 欧姆线路终端电阻。激光器电源电压（最大 12V ）由两个低 ESR 钽电容缓冲以及使用两个瓷片电容进行 RF 滤波。 iC-HG 监控 LVDS 输入信号，如果幅度低于 50% ，会在管脚 NER 产生一个错误信号，电源电压和芯片温度也被监控。当欠压和过载时 NER 信号也会产生。每个通道的电流可以通过控制 CIx 的电压来设置。它也可以被用来做模拟调制。最大调制频率典型值 2MHz ， CIx 的输入电容是调制频率的限制因素。   3 ）布局要求   对于非常短的激光脉冲，激光驱动模块的布局是挑剔的。由于快速开关的瞬态过程，当设计 PCB 时传输线路低电感是要记住的关键。图 3a 所示的是一个 iC-HG 高速驱动模块的例子，图 3b 是布局的细节。推荐布局指导方针如下：   Ø          保持从驱动器到激光二极管的线路和回路尽可能的短（每个 mm 都要考虑）； Ø          放置储能 / 旁路电容在驱动器 IC 电源和地线附近； Ø          选择低 ESR 电容（使用两个电容并联来减小 ESR ）； Ø          分开 AGNDx 和 GND 大面积铺地 ( 仅在公共地处连接 ) ； Ø          确保 DFN 封装的散热 PAD 的散热；   图 3a ：高速激光驱动模块   图 3b ：高速激光驱动模块布局   设计和测试快速激光驱动器电路（一） 设计和测试快速激光驱动器电路（二） 设计和测试快速激光驱动器电路（三）

采用 iC-haus 接口芯片把微控制器接入工业世界（一）   马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)    工业应用采用嵌入式微控制器 时需要特别关注现场恶劣的噪声环境。 从供电电压低至+1.5V或者+3.3V到24V工业界，需要仔细设计和决策专门的解决方案来达到安全和稳定的工作。 下面的文章描述不同的挑战和设计考虑 以及可能的解决方案满足最大 可能的功能安全和可靠性。 文章描述的内容如下： 1)        工业界 — 一个不同的世界 2)        有哪些设计挑战 3)        电平转换器和驱动器输出信号安全 4)        采用分立元件还是 ASSP I/O 接口 5)        处理24V输入信号噪声 6)        驱动激光二极管/LED 7)        哪些地方需要省电 8)        概要     1)        工业界 — 一个不同的世界   自从在1970年代发明微控制器以来微控制器趋向于更多的专用衍生和更多的功能和较低的技术门槛。集成更多功能，更大存储器以及低功耗。 对于一个给出的应用，每个人都在寻找“最佳的工作状态”达到最低的成本，最小的空间和最小的功率消耗。为达到这些需求而采用一个新的单片机而辩论。最后的结果是微控制器的供电电压持续降低，在某些情况下内核工作电压低至0.8V，I/O接口电压低至+1.5V。 然而，在工业应用领域,大多数供电和逻辑电平依旧是+24V。使用+24V供电和逻辑电平适应工业应用领域的噪声和恶劣的工作环境。由于这个原因，优秀的电子抗干扰性需要接口耐受高电流尖脉冲、磁干扰、静电放电等等。大多情况下微控制器和工业界的电流或者电压是一个10倍的关系。然而，我们要解决的是安培级或者是伏特级的问题，而不是毫安级或者毫伏级的问题。这就为硬件设计者提出了一个挑战，在两个领域隔离和转换信号电平。这意味着从转换低至1.5V的单片机逻辑电平到+24V的电压摆率在输出或者其他方向的输入。 使用微控制器在嵌入式应用，例如，加工控制、机器人、自动化设备等等。意味着在某种程度上仔细地设计接口，那就是可靠和考虑到安全工作。也有许多标准适用于某些方面的功能安全，例如IEC 61580和EN 60204-1。 2)        有哪些设计挑战   就工业环境的本质，挑战每个设计的是下面的这些需求： l           高电压摆率随着快速的dV/dt或者dI/dt转换引起的输入信号和输出信号的交叉干扰 l           接地回路由于系统的分布参数而改变接地电平 l           系统或者软件失效引起的激励端损坏（例如，功率输出级） 由于这些原因，在设计微控制器和+24V工业界之间的接口时下面的这几点需要考虑： l           微控制器需要多高的电平转换给输出？ l           微控制器需要多高的电平适应于其输入？ l           针对硬件或者软件的故障如何保护输出级？ l           数字的和/或模拟的连接需要什么样的滤波？ l           工业I/O和微控制器之间需要强制的隔离？ l           多大的功率上升和下降行为需要被考虑？ l           哪些失效需要被监控以及如何监控？ l           哪些地方是高功率消耗引起的热斑（例如，高电流或者高频率）？ 3)        电平转换器和驱动器输出信号安全   最初考虑的是着眼于微控制器的I/O端口逻辑电平，然后是明确输出需求的电流和电压。例如，驱动高电流阻性负载，像加热器或者执行机构，需要一个逻辑电平转换和功率三极管或者FET功率前置-驱动器。图1所示的例子是转换+1.8V供电的微控制器逻辑电平，通过前置-驱动器，控制一个高电流+24V FET。来自微控制器的逻辑电平，这个FET支持的切换负载电流大于10安培。图1所示的另一个选择是连接一个高边开关，例如，iC-DP，在36V供电时支持负载电流高达200毫安。 因为在上电时微控制器的I/O端口已经连接到输入，需要特别预防这里。为了避免在这个期间浮动的输入电平转换，如果下拉电阻没有集成到器件内部，需要连接附加的下拉电阻，例如iC-MFL。 另一个需要考虑的地方是输出端短路的失效-安全保护监测，监控VCC电压、地和芯片温度。在实际应用中，输出端失效将会引起损坏或者会伤害到使用者，或者损坏昂贵的设备，或许需要一个FMEA分析来满足安全标准（例如，IEC 61508）。 这需要在整个系统级、板级和芯片级做FMEA分析。对于此电平转换和前置-驱动器iC-MFL，FMEA安全电路已经集成到芯片级，而且包括第二个地连接和特殊的地监控。 对于iC-MFL，如果第一个地连接丢失（第一级失效），监控器清除所有的输出到一个定义好的低电平，关闭所有的输出功率级。或者微控制器通过一个低电平加到EN输入关闭这个电平转换器，同样的操作会执行，输入开路以及输出短路。   图1：电平转换和驱动功率输出   iC-MFL的输出级设计成最大输出电压为+18V。其他类型的驱动器，像iC-MFN，可用来处理不同的输出电平并且可以直接供电从+24V到高达+40V。在许多嵌入式系统一些数量的输入和输出由于不同的机器配置可以不同以及在I/O端口需要一些不同的组合。 4)        采用分立元件还是ASSP I/O 接口 ?   I/O模块化可以使用不同的方法。一个解决方案是板级方案，选择一个不同的I/O模块或者PCB，或者是在嵌入式电路板的芯片级方案。也可能是一个FPGA和分立元件组成的输入或输出级，或者使用专用的ASSP。这些特别的设计适用于灵活的和可编程的I/O配置。 在嵌入式机械或者机器人应用，传感器和执行机构有时候仅数米远。如果它们采用屏蔽双绞线电缆连接并且在中间接地，那么接地回路通常对输入/输出系统不会有问题。因此，在很多情况下，电隔离（例如，通过光电耦合器电流隔离）是不需要的。这对于系统设计者而言可以减少I/O端口的成本以及增加灵活性。 另一方面，数字I/O采用+24V逻辑电平被用来连接开关、数字传感器和在输入侧通过长电缆进行低速串行通信。+24输出也被用于驱动执行机构，例如，继电器、电磁线圈、电机和指示器，例如，灯泡或者LED。对于高速串行传输（例如,SSI/BiSS编码器）在一个高噪声的环境，RS422也通常被使用横跨超过100米的距离。为了达到可靠的工作，使用失效监控，在输入端特别考虑如下： l           I/O端口可能没有可靠连接 l           检测开路、短路和连接断开 l           提供滤波器抑制噪声、交叉干扰、尖峰或者机械开关跳动 l           检测已定义的信号传输用来产生微控制器中断 在设计输出端时考虑同样重要，例如：    l           耐受和检测短路，检测超温 l           限制灯具产生的浪涌电流以及抑制线圈关闭时产生的电压尖峰 l           支持脉冲输出用于闪烁或功率降低 切换负载使用高边开关输出是较多的首选方法，断开或者接地负载不能影响+24V系统供电。监控不同的电路失效，例如，+24V供电不足，一些丢失地线连接以及由驱动器超温引起的临界状态的应用。具有回读输出端口的选项，或者测量I/O端口的模拟电平用于更详细的诊断对达到功能安全是非常有用的。测量I/O接口模拟电平的方法也用于+24V输入端口。

马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)     4 ）测量激光脉冲   为了知道准确的激光脉冲形状，仅有一个电气测量激光电流是不够的。由于激光二极管的特性，测量结果会大不同。因此必须测量激光二极管的光学输出。 这通常是通过使用一个扩展 常规实验室设备用于电子测量。可能的方法有扩展常规示波器或者试验用PC来测量光学的激光光束。   4.1）从示波器到光学仪器 为了激光二极管脉冲的光学测量，需要一台高速示波器和一个附加的高速光电接收器。此光电接收器应该在相关频谱范围具有高灵敏度以及尽可能宽的带宽，从DC到GHz范围，以便激光脉冲的幅度和快速脉冲的边沿同样可以被测量。   图4a所示的是一个典型的光学测量装置，使用iC212高速光电接收器作为示波器的一个适配器。在这个例子里，使用一个大约12.5ns的40mW的激光脉冲发生器，脉冲幅度和上升沿时长可以使用示波器测量。示波器需要一个合适的高模拟带宽，工作频率也要到GHz范围。图4b所示的是光学脉冲响应。       图4a：激光二极管模块测量装置                 图4b：光电接收器iC212的激光脉冲 使用iC212光电接收器                          测量结果   iC212是专门为此类测量而设计的光电接收器， 它是第一个此类装置，结合 一个带宽范围从直流到1.4 GHz的宽光谱灵敏度，波长从320至1000nm（见图5）。它可以测量连续波和脉冲光功率，瞬态低至280ps。   图5：光电接收器频谱灵敏度   iC212在波长760nm处的增益因数是1.625V/mW。这允许光学功率测量低至子毫瓦范围。激光脉冲的上升沿和下降沿时长可以直接从示波器读出。然后光学功率可以由测量得到的幅度除以相关波长的灵敏度得出。 图6：测量功率   图6所示的示波器测量波长为635nm。灵敏度由图5得出，在635nm处，S=1.34V/mW。光学功率有下面的式子计算，其中，U是从示波器读出的幅度。   Popt(iC212) = U / S = 0.803 V / 1.34 V/mW = 0.60 mW   除了激光二极管和激光模块的光学测量， IC212 也可用来测量玻璃纤维传输线，光学传输时间，照度或者激光系统的光学触发或者错误检测测试。   4.2）从计算机到USB光学仪器 另一个选择是iC227数字示波器，通过USB连接到实验计算机。它是一个非常快速和精确的双通道8GHz顺序采样示波器，基于微控制器和高速ECL差分电路。微控制器经过隔离的全速USB接口通信，全速速率12 Mbits/s。顺序工作范围是由在触发和采样电路之间插入增量时延完成。ADC转换随着一个触发事件开始以10皮秒增量采样。图7所示的是iC227配置成 4 GHz双通道示波器的功能原理。连接到iC212的被测部件来构成一个完整的光学计算机仪器。   iC227主要特性如下： l          8 GHz带宽 l          触发输入带宽2 GHz l          时基范围25ps到100us l          垂直12位分辨率 l          时基精度1.5%FS+/-10ps l          垂直精度随着CH1/CH2输入 3%FS l          最小触发频率10KHz l          垂直刻度10到1000 mV l          最大输入采样电压2Vpp，触发输入4Vpp                                     图7：USB示波器功能原理       设计和测试快速激光驱动器电路（一） 设计和测试快速激光驱动器电路（二） 设计和测试快速激光驱动器电路（三）

马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)     由采样原理可知，IC227仅采用重复信号工作。然后，需要一个数字脉冲发生器来完成测试装置。图8所示的是iC149脉冲发生器。它产生脉冲宽度从1到64ns，步长增量0.25ns。固定频率1MHz以及提供LVDS和TTL输出。管脚连接兼容iC-HG和iC-NZN/NZP评估板。     图8：脉冲发生器管脚连接适用iC-HG/NZN/NZP评估板   脉冲宽度可由两位二进制码旋转开关设置。举个例子说明，一个完整的测试装置如图9所示。 它由一个光学测试台组成，包括 iC-NZN 评估板和脉冲发生器 iC149 。接收器方 iC212 光电接收被用来和 iC227 一起工作， iC227 带宽设置为 8GHz ， iC212 光电接收器直接连接到通道 1 。“ Input via Trigger ”复选框必须保持未选。     图 9 ：光学测量采用计算机 USB 光学仪器   iC212 光电接收器输出直接连接到“ SAMPLER IN1 ” 。“Input via Trigger ”复选框必须保持未选。 5 ）设计检查 对于高速激光驱动器设计，推荐注重考虑以下项目： l          PCB 板布局见以上第 3 项 l          示波器带宽要充分考虑快速跃迁和过冲 l          iC-HG 在 LDKx 的过冲输出不应该超过最大值 12V l          iC-NZN 在 LDK 的过冲输出不应该超过 15V ，正常值为 12V   6 ）概要 新一代基于 iC-HG 的激光驱动器电路能够产生高功率激光脉冲，脉宽低于 3.5ns 。为了在相关应用中能精确达到这个目标，需要优化 PCB 设计来减小分布电感。需要专用工具来测量光学输出的上升沿和下降沿时长。光电接收器 iC212 ，脉冲发生器 iC149 和数字 USB 示波器 iC227 是这些测量设备新的选择。   设计和测试快速激光驱动器电路（一） 设计和测试快速激光驱动器电路（二） 设计和测试快速激光驱动器电路（三）                

                     采用iC-haus接口芯片把微控制器接入工业世界（二）  马超群（Email:ma.chaoqun@126.com QQ:331332430）   许多数字功能需要组合的I/O端口，可以在FPGA里做这些端口，然而模拟功能、+24 I/O 以及错误监控需要使用分立元件实现。一个专用的、可编程的以及组合的+24V I/O解决方案如图2所示。这个例子是基于ASSP，它通过一个并行总线或者串行SPI接口连接到微控制器，几乎各种微控制器都可以这样使用。   在此应用中电源和地是需要隔离的，iC-JX可以通用一个隔离的(例如使用光电耦合器)SPI接口连接。由于使用了很少的隔离线缆，这是一个明显的成本优势方案。这种情况下，iC-JX的逻辑供电可以从+24V通过一个电压稳压器提供+3.3V，和+5V给数字和模拟电路。   iC-JX也提供所有I/O端口的回读功能。另外，集成的16通道10位A/D转换器支持端口观察，例如，观察+24V模拟输入用于诊断功能。   这些特性提供了功能安全、提高了在线维护能力以及失效检测。当采用一个遥控诊断功能时这会显著的减少维护成本。   对于电压调整器，iC-WD或者iC-DC可以产生两个输出电压用于小的I/O子系统，它结合了一个开关模式的DC/DC转换器和一个线性稳压器。这会减小模拟电路的纹波以及保持电源自身的低消耗。     图2：紧凑的通用I/O和光学隔离   对于这个电路另外的安全性，如果一个错误状态在微控制器内部产生，一个外部看门狗电路也可以监控微控制器是否有效以及禁用所有的16个I/O端口。   5)        处理24V输入信号噪声   在输入信号噪声方面，数字的或者模拟的滤波器需要避免被微控制器错误的读入，对于数字信号，iC-JX输入具有内建迟滞数字滤波选项。模拟输入信号可以通过分立元件的滤波器或者内建的比较强滤波功能，例如，保持、迟滞或者RC电路。图3所示的是iC-HC的保持功能影响输入噪声。     图3：集成滤波的输入噪声滤波功能 此方案是典型的快速测量输入电平以及内建电平转换用于微控制器的输入。此供电电压和差分输入电压可以高达36V。省电方面，iC-HC比较器可以通过使能输入切换到“零功耗”模式。   6)    驱动激光二极管和LED   使用一个微控制器驱动激光二极管需要恒流源和尖峰释放开关来避免损坏昂贵的激光二极管。取决于电流和切换频率，不同标准的驱动器允许平均电流控制（ACC）和/或平均功率控制（APC）。图4所示的是集成解决方案iC-HG驱动三只激光二极管（或者LED阵列）带可调节的恒流功能。     图4：驱动RGB激光二极管/LED高达1安培的电流   上图是典型的RGB光源应用于不同的工业领域，例如激光模块。当设计和测试快速激光驱动电路时，请看另一篇文章，“设计和测试快速激光驱动器电路”。   7）哪些地方需要省电   由于工业信号是高电压摆率，功率消耗就成为一个值得注意的问题。对于输出级，当转换频率升高时将会有超温现象出现。一个典型的例子是24V线驱动用于串行通信子系统。   一个可选的方案处理这个问题的方法是存储没有终端匹配的传输线反射的信号能量在电容里，并且使用这个能量为驱动器供电。这个方法可以节省高达50%的器件消耗能量，在转换频率小于250KHz时可以减少3个瓦特的器件热消耗。因此，增加了稳定性和减少了散热需求。iC-HX是一个24V线驱动器支持这个功能，仅需要增加一个电容。测试结果显在传输速率为200KHz时，iC-HX的外壳温度从100℃减小到70℃。   减小线驱动的功耗是一个省电的例子。因此，所有运行在高频率和高电流的系统的各个部分都应该仔细评估它们潜在的功率消耗（例如，使用低R DSON FET）。   驱动继电器和电磁阀也是一个特殊的情况，由于继电器（电磁阀）的吸合或者释放状态的特性决定的。考虑到这个特性，驱动继电器和电磁阀需要仔细考虑电路的级别。吸合时间在10-100毫秒时吸合电流需要大于两倍的工作电流，取决于继电器或者电磁阀的特性。超过吸合时间后电流可以减少至少三分之一。这可以采用分立元件的RC网络或者脉宽调制电路（PWM）。当可靠吸合之后改变占空比或者改变频率。PWM通过内建FPGA电路序列或者使用一个微控制器PWM输出或者使用一个ASSP器件解决这个需求。   图5：集成驱动继电器（电磁阀）省电解决方案   如果也需要继电器或者电磁阀的监控功能，可以采用一个专用的ASSP。图5所示的iC-GE电路用于驱动继电器或者电磁阀，直接从36V供电，兼容典型的TTL输入电平。此器件仅需外接RHOLD和RACT电阻定义所需要的吸合和保持电流。这个集成解决方案实际上改变电流允许相同的继电器可以使用在不同供电电压的应用。为了达到这点，不同供电电压时，PWM输出的占空比和频率需要校准。   这个专用的ASSP解决方案也集成了箝位二极管和维修指示。它也监控线圈的电流、欠压和超温。如果一个错误发生，LED灯会闪烁，也可以用来作为一个中断给微控制器。如上所述，当驱动继电器和电磁阀时，减小器件的功率消耗是可能的。通过特别的考虑，一个板级的解决方案可在项目设计阶段解决。   7）概要   如本文所述，当连接微控制器到工业界时有许多特殊的设计考虑。广泛的使用微控制器作为嵌入式解决方案用于汽车、电机以及机械控制系统。当要连接到工业界时设计者需要考虑特殊的需求。幸好，iC-Haus专用的工业ASSP解决方案解决了这些负担，以及解决了设计者在板级的许多问题。