高频高功率脉冲激光二极管驱动器的设计与实现：面向高性能LiDAR应用的新型频率合成技术

《Results in Engineering》：High-repetition-frequency high-power pulsed laser diode driver

为解决LiDAR系统对高重复频率、高功率激光源的迫切需求，研究人员设计了一种基于频率合成技术的脉冲驱动器。该驱动器采用多路GaN晶体管并联和FPGA控制，实现了10MHz重复频率、10A峰值电流和2.25ns上升时间的脉冲输出，最大峰值功率达90W。这项研究为高性能激光雷达提供了关键驱动技术支撑。

　　

随着激光雷达（LiDAR）技术在军事、自动驾驶、航空航天和工业制造等领域的广泛应用，对激光源的要求也越来越高。现代LiDAR系统需要更快的处理速度、更远的探测距离和更强的环境适应性，这些都对激光驱动电源提出了严峻挑战：需要实现更快的重复频率、更高的最大输出功率和更宽的输出范围。然而，传统的驱动电路难以同时满足所有这些要求，特别是在高重复频率下，开关晶体管的开关损耗会导致效率下降甚至器件损坏。

目前虽然已有多种短脉冲生成方法，如使用MOSFET、雪崩二极管等特定半导体器件，或采用Marx发生器和多电平转换器等方案，但这些方法都存在明显局限性：有的输出功率过低（如仅7.94mW），有的重复频率有限（如仅50kHz），有的无法实现反馈控制，还有的因散热问题难以应用于兆赫兹以上的高重复频率操作。

为了突破这些技术瓶颈，研究人员在《Results in Engineering》上发表了一项创新研究，开发了一种高频高功率脉冲激光二极管驱动器。该系统采用频率合成技术，通过合成多个并行开关晶体管的驱动信号来产生高重复频率脉冲，能够在不同负载条件下输出10A脉冲电流和10MHz重复频率，上升时间仅2.25ns，最大峰值功率达到90W。

研究人员采用了几个关键技术方法：首先设计了基于LT8390芯片的可编程DC-DC转换器，通过FPGA控制实现输出电压和电流的精确调节；其次开发了多路GaN晶体管并联的脉冲生成电路，采用频率合成方法降低单个晶体管的开关频率和热积累；还设计了基于LMH5401全差分放大器的峰值电流检测电路，实现高速电流采样；最后利用FPGA的SerDes原语实现1ns精度的脉冲控制。实验使用了三种不同负载：1Ω电阻、单激光二极管（PLD-100W-M）和激光二极管阵列（BEJD002）进行性能评估。

2. Design部分详细介绍了系统的整体设计。驱动系统由DC电源、脉冲发生器和FPGA主控制器组成。DC电源采用buck-boost控制器LT8390，通过SS引脚和CTRL引脚实现输出电压和电流的外部编程控制。脉冲发生器采用多路并联开关晶体管结构，使用GaN器件（EPC2204A）和专用驱动器（LMG1025）以实现快速开关。研究人员还建立了激光二极管的等效电路模型，通过速率方程分析了激光器的稳态特性。

2.3. Analysis of Circuit Models部分通过理论分析建立了半导体激光器的等效模型。研究人员使用速率方程描述了有源区内平均载流子密度和平均光子密度的关系，并通过小信号分析推导出激光器的本征等效电路模型表达式，包括等效电阻R_a、R_b和电容C_d等参数。

2.4. Output current sensing部分介绍了峰值电流检测电路的设计。采样电阻R₁连接在GaN晶体管的源极和地之间，使用8GHz带宽的全差分放大器LMH5401进行信号放大，增益设置为10，并通过14位分辨率、125MSps采样率的高速ADC3564进行数字化处理。

2.5. System control部分描述了系统的控制策略。FPGA通过控制多通道DAC输出调节DC电路的输出电压和电流，并生成开关晶体管的驱动信号。系统支持平均电流控制和峰值电流控制两种模式，采用PID控制器实现峰值电流的闭环控制。通过SerDes原语和DDR输出技术，实现了1ns的定时分辨率。

2.6. Simulation of driver circuit部分展示了驱动电路的PSpice仿真结果。基于激光二极管参数建立的SPICE模型仿真表明，在10MHz重复频率下，阴极电压存在显著波动，但输出电流没有出现大幅振荡，这可能是由激光器的寄生电容和电感引起的谐振效应造成的。

3. Experimental results and discussion部分展示了实验结果。研究人员搭建了测量系统，使用1GHz示波器采样波形，在三种不同负载上测试了驱动器的输出特性。

3.1. The voltage and current waveforms of LD at different repetition frequencies结果显示，在低重复频率下，测量的阴极电压超过电源电压，这是由于LD中的电感使电路表现得像升压转换器。随着重复频率升高，内部LC网络可能无法完全放电，导致阴极电压降低。输出峰值电流随着重复频率增加而显著减小，在10MHz时电压和电流输出无法达到稳定值。

3.2. The voltage and current waveforms of LD under different voltage表明，随着电源电压增加，阵列中的激光二极管完全开启，峰值电流明显上升。在10MHz重复频率下，输出电流显示明显振荡，这是由激光器内部的寄生电感和电容产生的谐振效应引起的。

3.3. Measurement of the influence of the number of parallel switching transistors on the pulse发现，并联开关晶体管数量的增加并不会降低电压下降时间（约2.25ns），但会导致更大的振荡，表明增加并联开关晶体管数量并不总能提高重复频率，需要在稳定性方面做出妥协。

3.4. Optical performance test of LD devices driven by the circuit显示，激光脉冲具有相似的上升过程，但由于大的杂散电感和结电容，上升时间相对较长。在14V驱动电压和0.1MHz重复频率下，最大峰值功率达到90W。系统在10MHz、13V条件下运行15分钟，输出功率稳定性为0.49%。

3.5. Testing of the drive circuit under higher repetition frequency conditions表明，当驱动脉冲达到40MHz时，电路处于临界状态，开关几乎无法完全关闭。当重复频率小于40MHz时，输出功率与重复频率成正比；但在50MHz时，激光二极管的平均输出功率急剧增加，表明载流子的反转粒子数无法在几纳秒内完全复合。

研究结论表明，这种多并联开关电路结构可以有效增强驱动电路的输出功率和重复频率，且不会对激光的光学输出产生影响。该系统在使用商用GaN驱动晶体管的同时，能够实现更高的输出功率、重复频率和更宽的可调脉冲宽度，而不会影响激光的光学输出。

然而，研究也存在一些局限性：输出电流主要通过电压控制，基于脉冲电流信号的反馈控制在高重复频率下仍然具有挑战性；在更高重复频率操作时，可能出现开关晶体管无法完全关闭的情况，导致激光器故障。为解决这些问题，需要选择寄生电容更小的GaN晶体管并减少电路板上的寄生电感。

这项研究为高性能LiDAR系统提供了重要的技术支撑，推动了高重复频率高功率脉冲激光驱动器的发展，在自动驾驶、遥感探测和工业测量等领域具有广阔的应用前景。