EPC9150开发板：高电流脉冲激光二极管驱动器的快速入门指南

在激光二极管驱动领域，EPC9150开发板是一款备受关注的产品。它专为驱动高电流脉冲激光二极管而设计，能实现总脉冲宽度小于3 ns（半高全宽）的脉冲输出。下面将详细介绍这款开发板的相关信息。

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1. 开发板概述

1.1 基本配置

EPC9150开发板配备了EPC2034C增强模式（eGaN®）场效应晶体管（FET），这是一款200 V的FET，能够提供高达214 A的电流脉冲。同时，开发板还附带了EPC9989转接板，该转接板包含一系列5 mm方形的可分离转接PCB，上面有不同激光器和其他负载的安装焊盘，方便用户安装多种不同的激光器或其他负载。不过，开发板本身不包含激光二极管或负载，需要用户自行提供。

1.2 功率级设计

开发板的功率级由德州仪器的LMG1020栅极驱动器驱动的接地参考eGaN FET组成。印刷电路板的设计旨在最小化功率环路电感，同时保持激光二极管或其他负载的安装灵活性。板上还包含多个用于电压和放电电容电流的无源探头，并配备了高带宽SMA连接器用于输入和传感。此外，开发板还集成了一个能够实现亚纳秒精度的窄脉冲发生器，用户也可以直接将输入信号发送到栅极驱动器。开发板默认设计为3.3 V逻辑电平运行，但配备了逻辑电平转换器和差分接收器，以适应不同的使用场景。它还可用于其他需要接地参考eGaN FET的应用，如E类放大器等。

2. 快速启动步骤

2.1 安全考虑

在开始使用开发板之前，务必审查激光安全注意事项，遵守所有必要的激光安全要求，包括使用个人防护设备（PPE）。如有必要，可咨询合格的安全人员。

2.2 安装负载

在关闭电源的情况下，安装激光二极管U2或其他负载。可以使用附带的EPC9989转接板来安装激光或其他负载，具体安装方法在“LASER DIODE OR LOAD CONSIDERATIONS”部分有详细讨论。

2.3 连接电源

关闭电源，将输入电源总线连接到 +VBUS（J11），将接地/返回连接到 –VBUS（J11）或GND。同时，将逻辑电源（5.5 - 12 V DC）连接到 +VLogic (J10)，将接地返回连接到 –VLogic (J10) 或GND。

2.4 连接信号源

关闭电源，将信号脉冲发生器连接到输入J7。J7在EPC9150上已端接50 Ω，默认设计为3.3 V逻辑输入，用户可根据需要进行更改。

2.5 连接测量设备

将剩余的测量SMA输出连接到示波器，使用50 Ω电缆，并将示波器输入设置为50 Ω阻抗。有关更多信息，可参考“MEASUREMENT CONSIDERATIONS”部分，其中包含每个输出的衰减值。

2.6 开启电源和信号源

依次开启逻辑电源电压、总线电压和脉冲源，通过输出和其他所需的探测来观察开关操作。可以使用适当的电光接收器观察激光二极管的输出。

2.7 调整参数

在系统运行后，可根据需要在工作范围内调整总线电压、输入脉冲宽度和脉冲重复频率（PRF），观察系统行为。

2.8 关闭系统

关闭系统时，请按相反的步骤进行操作。

3. 工作原理

EPC9150既是一个演示板，也是一个灵活的开发平台。它开箱即用，但设计为易于修改以适应广泛的应用。其基本工作原理是通过激光二极管对储能电容 {C2, C3, C4, C5, C6} 进行放电，然后通过电阻组 {R1, R3, R6, R7} 和铁氧体磁珠 {FB1, FB2} 对电容进行充电。在与现代表面贴装激光器配合使用时，它设计为产生谐振半正弦电流脉冲，放电电容和寄生功率环路电感形成谐振网络。

放电脉冲可以通过两个不同的输入进行控制。默认情况下，通过输入脉冲控制，该脉冲通过SMA连接器J7输入，J7在演示板上已端接50 Ω。输入J7连接到电平转换器U5，电平转换器的输出通过窄脉冲发生器（NPG）传递到栅极驱动器U3。当输入信号变为高电平时，栅极驱动器开启Q1，使电容通过激光二极管U2放电。如果NPG被禁用，当输入信号变为低电平时，Q1关闭。如果功率环路中仍有电流，可选二极管D1 - D5可以导通，帮助防止激光和FET过压。如果NPG被启用，用户可以获得一个短输出脉冲，其宽度可达到栅极驱动IC U3的能力下限。

此外，开发板还提供了LVDS系统的备用输入，通过J9提供LVDS兼容输入。J9还可用于提供输入逻辑电源VLogic，并使EPC9150的V3V3（3.3 V）和V5V0（5.0 V）调节器输出可供最终用户使用。

4. 激光二极管或负载考虑

4.1 转接板的使用

由于许多激光供应商的安装焊盘不同，为了优化驱动器性能并保持灵活性，EPC9150 Rev. 2配备了EPC9989转接板。转接板上有各种5 mm方形的可分离转接PCB，其顶面有不同的焊盘，可容纳多个表面贴装激光二极管、MMCX连接器和多种不同的负载模式。转接板安装在EPC9150和激光二极管或其他负载之间。

4.2 安装步骤

推荐的转接板使用步骤如下：

1. 在EPC9150 PCB的U2焊盘上涂抹焊膏。
2. 在转接板顶面的适当焊盘上涂抹焊膏。
3. 将所需的转接板底面朝向EPC9150的U2焊盘小心放置。
4. 将激光二极管或所需负载放置在转接板上。
5. 使用推荐的焊接温度曲线进行回流焊接，建议使用能够满足推荐焊接规格的回流炉，用户也可根据经验使用其他回流方法。

4.3 功率环路电感

功率环路电感（包括激光二极管的电感）是决定激光脉冲形状的主要因素。开发板在设计时已尽力最小化功率环路电感，同时最大化激光二极管的选择和方向。放电电容、电流感测电阻和eGaN FET必须紧密安装以减小电感。因此，用户在安装激光或更改功率环路中的其他组件时，必须小心避免损坏任何组件。

4.4 激光二极管参数限制

激光二极管的电流脉冲可能导致数百瓦到超过1 kW的峰值功率。用于激光雷达应用的激光二极管在设计时已考虑到这一点，但激光封装的热限制意味着必须遵守脉冲宽度、占空比和脉冲重复频率的限制。用户应仔细阅读激光二极管的数据手册，并遵循制造商的建议。

5. 测量考虑

5.1 SMA测试点

开发板上提供了SMA插孔，用于测量电路中的多个电压，包括栅极驱动IC输入、Q1栅极电压、Q1漏极电压、储能电容的充电电压和放电电容电流测量分流器的感测电压。所有测量点都设计为端接50 Ω，因此在查看波形时，示波器输入应设置为50 Ω输入。理想情况下，未使用的输入也应端接50 Ω负载，以防止探头产生额外的谐振。Q1漏极电压和放电电容感测电压在板上已端接，可大大减少这种影响，在实际应用中，剩余的谐振可能较小或可以容忍，用户应根据自己的需求进行验证。

5.2 探头特性

除分流测量外，所有感测测量SMA连接器都使用传输线电压探头原理，以在亚纳秒时间尺度上获得波形保真度。它们已被验证与泰克P9158 3 GHz传输线探头产生近乎相同的结果。由于其设计，它们具有内置的衰减因子。测量节点处探头的阻抗相对较小（约1 kΩ至2 kΩ）。为了最小化低探头阻抗对演示板操作的影响，并防止探头输入电阻过热，输出电压（J3）和电容电压（J1）探头在PCB上有直流阻断电容。因此，当脉冲宽度和其他波形特征接近探头的RC时间常数时，测量的脉冲波形会出现下垂现象。如果用户习惯使用更传统的示波器探头，应考虑这些因素。如果使用长脉冲宽度，下垂现象会变得明显，此时可以使用外部探头来测量这些较慢的波形。

5.3 电流分流器

电流分流器用于估计放电电容电流。开发板通过精心选择电阻和补偿网络，尽力减少电流分流器的电感效应，以补偿分流器的等效串联电阻。然而，分流器是在电流测量精度和最小化对激光驱动器性能的影响之间进行的折衷。如果需要更准确的分流波形测量，可以将分流电阻替换为在所需带宽下提供更高精度的电阻，但这将需要更高的电阻值，这会导致电容电压测量误差增加，并增加功率损耗。此外，电容电流还包括D1 - D5（如果包含）和PCB电容的电流。

6. 其他特性

6.1 窄脉冲发生器

许多信号发生器无法产生准确的短脉冲，EPC9150集成了窄脉冲发生器（NPG）功能，可根据德州仪器LMG1020数据手册第8.2.2.2节中的方法获得宽度可调的窄输出脉冲。这通过电位器P1进行控制。

NPG通过将J4上的跳线移动到最左侧位置来启用。启用NPG后，输入脉冲信号被分成单独的开启和关闭路径。开启路径通过缓冲器U2、固定RC延迟 {R18, C15} 和缓冲器U4连接到栅极驱动器U3的IN+（非反相）输入，从而开启输出Q1。关闭路径类似，但有一个可调的RC延迟 {P1, R23, C17}。这个延迟脉冲被发送到U3的IN-（反相）输入。第二条路径的较长延迟意味着在一段时间后，U3的IN-输入变为高电平，Q1关闭，结束输出脉冲。电位器P1用于调整这个关闭延迟和最终的输出脉冲宽度。需要注意的是，最小延迟设置会使开启和关闭路径的延迟大致相等，这将导致零宽度脉冲。由于栅极驱动器U3的最小脉冲宽度规格大于1 ns，因此U3决定了可实现的最小输出脉冲宽度。延迟路径中的小误差不会对输出产生显著影响。使用NPG可获得的最大脉冲宽度约为20 ns。

使用NPG时，输入脉冲应比所需输出脉冲至少长10 ns。如果可能，40 ns的输入脉冲将允许在不进行P1以外的额外调整的情况下，在其整个范围内调整NPG。

6.2 LVDS输入

EPC9150可以通过LVDS输入进行控制。用户可以通过8针接头J9使用该输入。有关引脚分配，请参考原理图（图7）。要启用LVDS输入，将J4上的跳线移动到上方位置（图6）。

6.3 可修改特性

• 钳位二极管：EPC9150上留有空间用于安装钳位二极管（D1 - D5）。虽然二极管可以为FET Q1和激光D3提供一定的保护，但它们具有寄生电感和电容，可能会在极高速时降低性能。因此，它们未安装，用户可根据特定应用决定是否需要。
• 分流电阻：可以适当增加分流电阻的值以提高放电电容电流感测的准确性。这需要更改分流补偿电容C7以适应电阻和电感的变化。需要注意的是，在将极低电感插入功率环路的同时准确测量电流是极具挑战性的，必须考虑许多因素。如果不需要感测，可以用铜箔替换电阻以获得最低的电感。
• 储能电容和充电电阻：储能电容 {C2, C3, C4, C5, C6} 和充电电阻 {R1, R3, R6, R7} 的值可以根据需要进行修改。在极端情况下，如果不需要电容放电脉冲，可以将电阻减小到0 Ω。
• 输入逻辑电平：通过更改R31，可以将输入逻辑电平从3.3 V逻辑降低到2.5 V或1.8 V。有关详细信息，请参阅U5的数据手册。

7. 注意事项

EPC9150开发板仅用于产品评估目的，不用于商业用途，也未获得FCC批准用于转售。在评估板上更换组件时，只能使用快速入门指南中零件清单（或物料清单）上显示的零件。如有任何问题，请联系授权的EPC代表。该开发板旨在由经过认证的专业人员在实验室环境中按照适当的安全程序使用，使用风险自负。

作为评估工具，该开发板未设计为符合欧盟电磁兼容性指令或任何其他此类指令或法规。由于开发板的构建有时取决于产品供应情况，开发板可能包含不符合RoHS标准的组件或组装材料。高效功率转换公司（EPC）不保证所购买的开发板100%符合RoHS标准。评估板（或套件）仅用于演示目的，开发板和本快速入门指南均不构成销售合同，也不就相关应用或产品提供任何明示或暗示的保证。

总之，EPC9150开发板为电子工程师提供了一个强大而灵活的平台，用于开发和评估高电流脉冲激光二极管驱动器。通过充分了解其特性和使用方法，工程师们可以更好地发挥其性能，实现各种应用需求。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。