Использование eGaN-транзисторов в лидарах. Часть 2

В статье рассматривается алгоритм расчета параметров и компонентов лазерного драйвера, анализируются составляющие паразитной индуктивности, приводятся результаты испытаний референсных драйверов EPC9126 и EPC9126HC
631
В избранное

Данная статья является второй частью перевода руководства «APPLICATION NOTE: AN027 eGaN FETs for Lidar – Getting the Most Out of the EPC9126 Laser Driver Getting the Most» от компании EPC. В ней рассматривается алгоритм расчета параметров и компонентов лазерного драйвера, анализируются составляющие паразитной индуктивности, приводятся результаты испытаний референсных драйверов EPC9126 и EPC9126HC. Чтобы избежать путаницы, в статьях используется сквозная нумерация рисунков, таблиц и формул.

Расчет драйвера

Рассмотрим алгоритм расчета параметров и компонентов драйвера с учетом результатов, полученных в первой статье из данного цикла. Для начала необходимо определиться с параметрами лазера и импульса возбуждения, которые являются исходными данными для расчета:

  • Пиковый ток возбуждения IDLpk;
  • Ширина импульса tw (измеряется между точками, соответствующими половине амплитуды сигнала (FWHM) (см. рис. 6);
  • Частота следования импульсов PRF;
  • Прямое падение напряжения на лазерном диоде VDLF.

Кроме параметров лазера и импульса возбуждения необходимо знать величину индуктивности L1. Значение L1 зависит от многих факторов, но, как правило, его можно оценить в каждом конкретном случае. В следующем разделе этот вопрос рассматривается подробнее, а пока будем полагать, что у нас есть это оценочное значение.

Для расчета резонансного конденсатора С1 необходимо преобразовать формулы (4) и (6):
 formula8.png (1 KB)
Для расчета резистора R1 необходимо преобразовать формулу (2):

formula9.png (746 b)

Поскольку tchrg >> tres, то для простоты будет достаточно выбрать большое значение tchrg. Из-за тепловых ограничений коэффициент заполнения импульсного сигнала обычно не превышает 1%. Поэтому нет необходимости точного расчета номинала R1. Особенности использования больших значений коэффициента заполнения рассматриваются в одном из следующих разделов.

Величина напряжение шины VIN определяется из формулы (7).

Исходя из значений VIN и IDLpk, можно выбрать наиболее подходящий силовой транзистор Q1.

Таким образом, расчет параметров драйвера производится с помощью формул (7), (8) и (9).

Определение паразитной индуктивности контура питания

Как было показано в предыдущей статье, входное напряжение практически линейно зависит от индуктивности контура питания (см. рис. 7). Входное напряжение в свою очередь определяет выбор силового транзистора и конденсаторов. Кроме того, стоит помнить, что для формирования напряжения шины необходим дополнительный внешний источник питания, например, повышающий преобразователь. Таким образом оказывается, что чем меньше L1, тем проще и дешевле будет реализовать остальную часть схемы. В статье «Understanding the effect of PCB layout on circuit performance in a high frequency gallium nitride based point of load converter» [19] подробно рассматриваются способы уменьшения паразитной индуктивности печатной платы. В этой же статье показано, что при использовании eGaN-транзисторов с компактными корпусными исполнениями можно добиться того, чтобы суммарная индуктивность транзистора, печатной платы и шунта была менее 1 нГн, и даже менее 500 пГн. В случае с драйверами EPC9126xx паразитная индуктивность составляет порядка 1 нГн. Конечно, можно было бы дополнительно снизить индуктивность, но было решено сохранить универсальность платы, для возможности работы с различными лазерными диодами.

Рассмотрим другие источники паразитной индуктивности. Значительный вклад в общую индуктивность контура вносит лазерный диод. Лазерный диод с монтажом в отверстия добавляет около 5 нГн (или даже больше). Лазерный диод для поверхностного монтажа добавляет около 1…3 нГн. Таким образом, лазер становится основным источником паразитной индуктивности. Следует отметить, что в свою очередь индуктивность лазера определяется его корпусом и выводами. Производители лазеров прекрасно это понимают, поэтому можно надеяться, что в ближайшем будущем ситуация изменится в лучшую сторону.

К сожалению, точное значение паразитной индуктивности L1 трудно определить на начальном этапе разработки. По этой причине во многих случаях потребуется несколько итераций перепроектирования. Чтобы упростить себе работу, следует выбирать транзистор с некоторым запасом по напряжению. Даже если паразитная индуктивность окажется больше предполагаемой и придется увеличивать напряжение шины, то транзистор менять не понадобится.

Схема драйвера EPC9126xx

Типовая схема включения лазерного драйвера EPC9126xx показана на рисунке 8. Полное описание процесса подключения и эксплуатации дано в руководствах [20, 21].

Рассмотрим предложенную схему. Для подключения всех сигнальных входов/ выходов используются SMA-разъемы. Для отслеживания основных напряжений в контрольных точках схемы предусмотрены штыревые разъемы J3, J7, J9 и J10. Для контроля напряжения с выхода токового шунта используется разъем J6. Описание отдельных узлов схемы, а также полную схему и Gerber-файлы можно найти в [3, 4]. Как уже говорилось выше, трассировка платы была выполнена с учетом рекомендаций, приведенных в статье [19].

Подключение питания, а также сигнальных входов и выходов драйвера

Рис. 8. Подключение питания, а также сигнальных входов и выходов драйвера

Внешний вид драйвера, а также увеличенная фотография места расположения лазерного диода представлены на рис. 9. Чтобы минимизировать паразитную индуктивность L1, в качестве резонансной емкости C1 использовалось пять параллельно включенных чип-конденсаторов типоразмера 0402: C11, C12, C13, C14, C15. По той же причине в качестве шунта использовалось пять параллельно включенных чип-резисторов 0402: R12, R13, R14, R15, R16. Расстояние между верхним слоем металлизации печатной платы и нижним слоем земли составляет 250 мкм, что позволяет дополнительно уменьшить индуктивность. В плате не используются слепые переходные отверстия или microvia, что обеспечивает ее невысокую стоимость.

Драйвер EPC9126 с GaN-транзистором

Рис. 9. Драйвер EPC9126 с GaN-транзистором

Чтобы получить хорошие результаты измерений, пришлось перевернуть резисторы шунта. Это позволило уменьшить их общую индуктивность с 200 пГн до 40 пГн и увеличить ширину полосы пропускания шунта в четыре раза [13]. Подробнее эта особенность рассматривается в следующей статье.

Результаты эксперимента

Испытание драйверов EPC9126 и EPC9126HC проводилось с использованием лазерного SMD-диода Excelitas TPGAD1S09H. На момент написания статьи данный диод был наиболее мощным импульсным SMD-лазером с наименьшей индуктивностью. При тестировании использовалось входное напряжение 75 В. 

EPC9126

В данном случае оценочное значение индуктивности контура питания L1 составило около 2,3 нГн. Если ток возбуждения IDLpk = 35 А, а ширины импульса 3,5 нс, то исходя из формул (7) и (8), получаем, что C1 = 1,2 нФ, а VIN = 60 В. С учетом стандартного ряда номиналов было выбрано значение C1 = 1,1 нФ. Для обеспечения требуемой стабильности и достижения минимальных потерь использовались керамические конденсаторы NP0/ C0G. Результаты испытаний для VIN = 75 В показаны на рис. 10. Реальный пиковый ток IDLpk = 35 А достигается при tw = 3,4 нс. Это соответствует пиковой электрической мощности PDLpk> 300 Вт. Расхождение между исходными данными и результатами эксперимента обусловлено коррекцией емкости С1, погрешностью в оценке величины индуктивности, дополнительным падением напряжения на шунте и тем фактом, что прямое напряжение на лазерном диоде на самом деле не является фиксированной величиной.

Результаты испытаний лазерного драйвера EPC9126 с GaN-транзистором EPC2016C

Рис. 10. Результаты испытаний лазерного драйвера EPC9126 с GaN-транзистором EPC2016C. При VIN = 75 В пиковый ток IDLpk = 35 A достигается при tw = 3,4 нс

EPC9126HC

В данном случае оценочное значение индуктивности контура питания L1 составило около 2,0 нГн. Снижение индуктивности можно объяснить увеличенной шириной корпуса транзистора EPC2001C по сравнению с EPC2016C. Если ток возбуждения IDLpk = 70 А, а ширины импульса 5 нс, то исходя из формул (7) и (8), получаем, что C1 = 2,85 нФ, а VIN = 78 В. Как и в случае с EPC9126, с учетом стандартного ряда номиналов было выбрано значение C1 = 2,8 нФ. Для обеспечения требуемой стабильности и достижения минимальных потерь использовались керамические конденсаторы NP0/ C0G. Результаты испытаний для VIN = 75 В показаны на рис. 11. Пиковый ток IDLpk = 63 А достигается при tw = 5,0 нс. Это соответствует подводимой пиковой мощности PDLpk> 1300 Вт. Как и в случае с EPC9126, расхождение между исходными данными и результатами эксперимента обусловлено коррекцией емкости С1, погрешностью в оценке величины индуктивности, дополнительным падением напряжения на шунте и тем фактом, что прямое напряжение на лазерном диоде на самом деле не является фиксированной величиной.

Результаты испытаний лазерного драйвера EPC9126HC с GaN-транзистором EPC2001C

Рис. 11. Результаты испытаний лазерного драйвера EPC9126HC с GaN-транзистором EPC2001C. При VIN = 75 В пиковый ток IDLpk = 63 A достигается при tw = 5 нс

В следующей статье будут подробно рассмотрены особенности реализации и использования референсных драйверов EPC9126 и EPC9126HC.

Предыдущая статья:

Литература:

[1] J. Glaser, “How GaN Power Transistors Drive High-Performance Lidar: Generating ultrafast pulsed power with GaN FETs,” IEEE Power Electronics Magazine, vol. 4, Mar. 2017,

  1. 25–35.

[2] P. McManamon, Field Guide to Lidar, SPIE, 2015.

[3] EPC9126 Lidar Demo Board

[4] EPC9126HC Lidar Demo Board

[5] OSRAM Opto Semiconductors Inc., “SPL PL90_3 Datasheet,” 2015.

[6] Excelitas Technologies, “Surface Mount 905 nm Pulsed Semiconductor Lasers Datasheet,” 2016.

[7] S. Morgott, “Range Finding Using Pulse Lasers,” Regensberg, Germany: Osram Opto Semiconductors, 2004.

[8] S.A. Hovanessian, Radar System Design and Analysis, Norwood: Artech House, Inc, 1984.

[9] M. Andersson and J. Kjörnsberg, “Design of Lidar-system,” Lund University, 2014.

[10] A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, and D. Reusch, GaN Transistors for Efcient Power Conversion, Wiley, 2015.

[11] Efcient Power Conversion Corp., “EPC2016C data sheet,” 2018.

[12] Efcient Power Conversion Corp., “EPC2022 data sheet,” 2018.

[13] J. Glaser, “ High Power Nanosecond Pulse Laser Driver using a GaN FET”, PCIM Europe 2018 Proceedings, 2018.

[14] J.Glaser, “ Kilowatt Laser Driver with 120 A, sub-10 nanosecond pulses in < 3 cm2 using a GaN FET”, PCIM Asia 2018 Proceedings, 2018.

[15] R.W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Springer, 2001.

[16] M. Pavier, A. Woodworth, A. Sawle, R. Monteiro, C. Blake, and J. Chiu, “Understanding the E?ect of Power MOSFET Package Parasitics on VRM Circuit Efciency at Frequencies

above 1 MHz,” PCIM Europe 2003 Proceedings, 2003.

[17] D. Reusch, J. Strydom, and A. Lidow, “A new family of GaN transistors for highly efcient high frequency DC-DC converters,” 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and

Exposition (APEC), 2015, pp. 1979–1985.

[18] Velodyne Lidar Inc., “Velodyne Lidar Puck VLP-16 data sheet,” 2017.

[19] D. Reusch and J. Strydom, “Understanding the e?ect of PCB layout on circuit performance in a high frequency gallium nitride based point of load converter,” 2013 Twenty-Eighth

Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2013, pp. 649–655.

[20] Efcient Power Conversion Corp., “EPC9126 Lidar Development Board Quick Start Guide, Rev. 2.5,” 2016.

[21] Efcient Power Conversion Corp., “EPC9126HC Lidar Development Board Quick Start Guide, Rev. 1.0,” 2017.

[22] H. Johnson and M. Graham, High-Speed Digital Design – A Handbook of Black Magic, Prentice Hall PTR, 1993.

[23] J. Weber, Oscilloscope Probe Circuits, Tektronix Inc., 1969.

[24] Tektronix Inc, “20X Low Capacitance Probe – P6158 Datasheet,” 2017

[25] J. Williams, “AN98 Signal Sources, Conditioners, and Power Circuitry – Circuits of the Fall, 2004: Nanosecond Pulse Width Generator,” Linear Technology Corporation, 2004.

[26] http://ucanr.edu/blogs/green//blogfles/11605_original.png

[27] Susumu 2018 Product Catalogue (EN), 2018-04-06, pp. 53-54. 2018

Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC9112
EPC9112
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2200581 ИНФО PDF
Поиск
предложений
EPC9112 - оценочный набор систем беспроводной передачи энергии. A4WP compatible, ZVS Class-D Wireless Power System
EPC9112
-
Поиск
предложений
EPC9013
EPC9013
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2200690 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Отладочная плата EPC9013 на основе четырех параллельных полумостов, собраных на 100 В eGAN транзисторах EPC2001C с максимальным рабочим током до 35 А.
EPC9013
-
Поиск
предложений
EPC9126HC
EPC9126HC
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2607887 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
100 V High Current Pulsed Laser Diode Driver Demo Board
EPC9126HC
-
Поиск
предложений
EPC9126
EPC9126
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2607888 ИНФО AN
Поиск
предложений
EPC9126 – генератор импульсов для питания лазерных диодов.
EPC9126
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()