基于時分復用的光纖布拉格光柵傳感系統中 高速光脈沖調制器電路研制

黃剛，潘李克，楊成豐，趙長春，潘群瓊，馮文碧

（1.永嘉縣電力實業有限公司，浙江 溫州 325100， 2.國網浙江省電力有限公司永嘉縣供電公司，浙江 溫州 325100）

0 前言

與傳統的電傳感器相比，光纖傳感器以其抗電磁干擾、耐高溫、抗腐蝕、體積小、質量輕、易于復用、傳感點無需用電等優點，目前已廣泛應用于各領域[1-3]。

光纖布拉格光柵是光柵柵距均勻一致的一種光纖光柵，反射帶寬（約10-1nm）非常窄、反射率非常高，而且由于它是波長編碼的，使得它與傳統的光纖傳感器相比,又有許多優點，如：精度不受光源強度影響，受環境影響小，更加容易復用和實現分布式傳感等[4-5]。目前在光纖傳感及光纖通信領域具有非常廣泛的應用。

光開關是重要的光無源器件，利用時分復用原理，光開關是實現光通信系統擴容行之有效的方法[6-7]。在FBG（光纖布拉格光柵）傳感系統中，同樣可以利用光開關的時分復用的特性，將同根光纖上光柵傳感節點反射的信號在時間上進行區分，從而實現將系統可接入的傳感節點數量成倍的增加，極大地降低了系統的成本，增強了系統的實用性，尤其是在長距離傳感領域，比如長距離電纜監測等方面，更有實用價值。

為了提高光纖傳感器空間的分辨率，需要光開關產生窄的光脈沖，因此需要研制和光開關匹配的高速高壓驅動器，來產生納秒級別的高壓驅動信號。傳統采用MOS管驅動的光開關驅動電路，產生的驅動脈沖上升、下降邊沿都接近幾百納秒級別[8]，速率較低，無法滿足光開關需快速切換要求。本文設計并實現了一種基于GaN HEMT器件的高速光脈沖調制電路，用來驅動基于時分復用的光纖布拉格光柵傳感系統中的光開關。

1 基于時分復用的光纖布拉格光柵傳感系統

基于時分復用的光纖布拉格光柵傳感系統的基本結構如圖1所示，系統由ASE（放大自發輻射）寬帶光源、高速光脈沖調制器、光環形器、布拉格光柵傳感器、波長相關正交干涉儀、高速信號采集處理及控制電路幾個部分組成，布拉格光柵傳感器通過一根光纖串聯接入系統。

圖1 基于時分復用的光纖布拉格光柵傳感系統結構

該光纖傳感系統的工作流程如下：首先由高速光脈沖調制器控制光開關，將寬帶光源產生的光調制成光脈沖，之后再通過環形器將光信號傳輸到串聯而成的光纖光柵傳感器中；其次，當光信號傳輸到這些光纖光柵上時，由于每個Bragg（布拉格）光柵分別能夠反射一個中心波長的光，這樣在外界環境參量發生變化時，各個Bragg光柵的中心波長會發生漂移，而經過光柵傳感的波長選擇后，一組攜帶有待測信息的Bragg波長的窄帶光波就被反射回來，之后這些反射光會分別經過環形器被正交干涉儀所接收，最后通過高速信號采集處理及控制電路進行數據分析與處理，獲取待測信息。

通過高速光脈沖調制器控制光開關產生窄帶光脈沖，使得從任何兩個相鄰光柵傳感器上被反射回來的Bragg光波信號，在時間上都是間隔開的，從而可達到在同一根光纖中時分復用接入多個光纖光柵的目的。光脈沖越窄，代表著可接入的光纖光柵傳感器空間距離分辨率越高。光在光纖中的傳播速度大約為2x108m/s，如果要達到兩個相鄰光柵傳感器之間的最小距離為20 m，則窄帶光脈沖的時間寬度最大200納秒，才能保證從兩個光柵傳感器上反射回的光信號不會重疊在一起。

基于時分復用的光纖布拉格光柵傳感系統，需要光開關有足夠快的切換速度，才能滿足單套系統可接入足夠多傳感器的要求。目前可以實現納秒級別的開關由電光晶體做成，電光晶體開關的控制電壓普遍在200 V左右[9]。光開關是一種容性負載，把光開關驅動到一種狀態相當于給電容充電，而使光開關恢復到默認狀態相當于給電容放電，光開關切換速率越快，給電容的充放電時間就越短。因此光開關驅動電路不僅要輸出高電壓，還要為光開關提供較高的輸出峰值電流。否則，高壓驅動信號的上升以及下降沿就會惡化，光開關的切換速率就會降低。

2 高速光脈沖調制器電路設計

高速光脈沖調制器主要由高壓升壓電路和高壓脈沖驅動電路兩部分組成。

高壓脈沖驅動電路的難點在于高壓快速導通與關斷電路，依賴于開關管的選型。氮化鎵（GaN）功率半導體器件由于自身寬禁帶半導體材料的特性優勢，很多性能超越傳統硅基功率器件，尤其是相較于硅MOSFET，氮化鎵材料具備更高的臨界電場、獨有且出色的動態導通電阻、更低的電容，使其尤為適用于功率半導體器件，讓GaN HEMT（氮化鎵高遷移率晶體管）成為高速開關的理想之選[10-11]。但GaN HEMT的柵極驅動要求更為嚴苛，傳統采用分立式元件驅動的電路，分立元件多，電路結構較復雜，導致保護電路復雜，從而可靠性較差。

本文選用意法半導體公司的集成一體化的半橋MasterGaN2芯片[12]。MasterGaN2是一款高功率密度600 V半橋驅動器，內部功能框圖如圖2所示，芯片內部集成兩個600V常開型增強型GaN HEMT，每個開關管都集成一個優化的柵極驅動器，零反向恢復損失，集成了互鎖功能和精確匹配的傳輸延遲，以及差分導通和關斷柵極電流，這些功能可以實現精確、高效的開關操作，防止兩個開關管同時導通導致短路或損壞。上、下開關管驅動部分集成UVLO（欠壓保護）保護功能，可防止在低電源電壓下工作時能效嚴重降低和潛在問題。同樣，集成的熱關斷功能可防止器件過熱。柵極驅動器的電平轉換器和高效輸入緩沖功能給GaN柵極驅動器帶來非常好的魯棒性和抗噪性。提供關閉引腳（SD/OD）允許通過MCU的專用引腳將功率開關設為空閑模式。支持最小可達5 ns的死區時間，高壓輸出波形具有比較快的上升（25 ns）和下降時間（15 ns），完全可以滿足光開關所需納秒級別的驅動信號要求。

圖2 MasterGaN2芯片內部功能框

高壓脈沖驅動器電路如圖3所示。外部輸入的PWM控制信號，經過兩級高速邏輯門電路(U1,U2,U3,U4)進行轉換，第一級邏輯門電路（U1,U2）將單個PWM信號轉換成一對互補驅動信號，由肖特基二極管、電阻R和電容C構成死區時間設置電路，通過調整RC時間參數值來調整死區時間值。當第一級邏輯門輸出高電平時，先由電阻R對電容C進行充電，實現對高電平驅動信號延時處理；當第一級邏輯門輸出低電平時，由肖特基二極管對電容C快速放電，從而保證第二級邏輯緩沖電路前端輸入的一對互補驅動信號滿足死區時間設置要求。

圖3 高壓脈沖驅動器電路原理圖

第二級邏輯緩沖電路(U3,U4)，對經過RC濾波后的邊沿變緩的信號進行整形，輸出信號邊沿時間短（小于3 ns）的兩個控制信號。這兩個控制信號直接驅動MasterGaN2芯片內部兩個GaN HEMT的邏輯控制管腳(HIN、LIN)。當PWM信號為高電平時，MasterGaN2芯片內上開關管導通、下開關管關閉，OUT管腳輸出VS高壓電平；當PWM信號為低電平時，上開關管關閉、下開關管導通，OUT管腳輸出低電平。另外，BOOT和OUTB管腳間外接一個自舉電容，與芯片內部包含的Bootstrap（自舉）二級管一起構成自舉電路，為上開關管驅動電路提供驅動電源。

高速光脈沖調制器電路設計難點還在于高壓升壓電路設計。

反激電路具有拓撲結構簡單、體積小、成本低等優點，因此本文采用非隔離反激式升壓電路，電路原理如圖4所示。電路包括主控芯片單元、變壓器、整流濾波單元及反饋單元等。

圖4 高壓升壓電路原理圖

主控芯片單元選用ADI公司的LT3757 DC/DC控制器[13]，LT3757在2.9V至40V的輸入電壓范圍內工作，實現了高達96%的效率，在100KHz至1MHz的可編程固定頻率，可與外部頻率同步，支持多種電感器和電容器以優化尺寸、性能和成本，可用于升壓、反激式、SEPIC和負輸出電源等應用。

主控芯片LT3757通過GATE管腳控制MOS管導通關斷。當MOS管導通時，變壓器初級電感電流開始上升，此時由于次級同名端的關系，輸出二極管截止，變壓器儲存能量，負載由輸出電容提供能量；當MOS管關斷時，變壓器初級電感感應電壓反向，此時輸出二極管導通，變壓器中的能量經由輸出二極管向負載供電，同時對電容充電，補充剛剛損失的能量。

輸出端通過分壓電阻R15～R17、R22，檢測輸出電壓的大小，控制MOS管導通的占空比，從而對輸出電壓進行調節。輸出電壓與分壓電阻之間的關系為：

Sense管腳通過采樣電阻進行采樣輸入電流，調整MOS管導通的占空比，從而限制輸入的最大電流。

通過R9和R11電阻分壓實現輸入的欠壓保護功能。

RT管腳外部連接一個電阻，設置開關的工作頻率，圖中電阻設置為140 K，設定工作頻率為100 kHz。

經過測試驗證，該高壓升壓電路能夠穩定輸出200 V高壓，輸出穩定，滿足光開關的正常工作要求。

3 性能測試

測試系統原理框圖如圖5所示，由寬帶光源、光開關、光環形器、通過一根光纖串聯的三個布拉格光柵傳感器、高速光脈沖調制器、FPGA控制模塊、正交干涉儀、光電轉換電路，及示波器。

圖5 測試系統原理框圖

由FPGA控制模塊輸出一個控制信號，控制高速光脈沖調制器產生周期性高壓脈沖電平，通過此高壓脈沖電平控制光開關的導通與關斷，從而產生窄帶光脈沖信號。由光環形器將光脈沖信號耦合至光柵傳感器中，光環形器將光柵反射回的光脈沖輸出到正交干涉儀，由光電轉換電路進行光電轉換及放大處理。示波器對高速光脈沖調制器、以及光電轉換電路的輸出信號進行監視。

圖7 調制器輸出電壓上升沿波形

圖8 調制器輸出電壓下降沿波形

通過示波器測試的高速光脈沖調制器輸出信號如圖6、7、8所示，光開關在有高壓輸入時為常閉狀態，光開關驅動電壓為200 V，驅動信號上升、下降邊沿都小于25 ns；通過示波器測試的光電管輸出信號如圖9所示，可以看到檢測到3個在時間軸上波形不重疊的光柵傳感器信號。可見，高速光脈沖調制器滿足系統的設計要求。

圖6 高速光脈沖調制器輸出電壓波形

圖9 光電轉換電路輸出信號波形

4 結束語

利用光開關的時分復用的特性，將同根光纖上光柵傳感節點反射的信號在時間上進行區分，從而實現將系統可接入的傳感節點數量成倍的增加，極大地降低了系統的成本，增強了系統的實用性，尤其是在長距離傳感領域，更有實用價值。光開關的切換速度越快，可接入傳感器的數量就越多。文章設計并實現了一種光開關的高速光脈沖調制電路，采用基于反激拓撲的高壓升壓電路，以及基于GaN HEMT（氮化鎵高遷移率晶體管）的高速高壓驅動電路。經過測試，此設計滿足基于時分復用的光纖布拉格光柵傳感系統中高速光開關的驅動電路要求，可以輸出納秒級別的高壓脈沖信號，上升及下降邊沿時間小于25 ns。