基于时分复用的光纤布拉格光栅传感系统中 高速光脉冲调制器电路研制

黄刚，潘李克，杨成丰，赵长春，潘群琼，冯文碧

（1.永嘉县电力实业有限公司，浙江 温州 325100， 2.国网浙江省电力有限公司永嘉县供电公司，浙江 温州 325100）

0 前言

与传统的电传感器相比，光纤传感器以其抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀、体积小、质量轻、易于复用、传感点无需用电等优点，目前已广泛应用于各领域[1-3]。

光纤布拉格光栅是光栅栅距均匀一致的一种光纤光栅，反射带宽（约10-1nm）非常窄、反射率非常高，而且由于它是波长编码的，使得它与传统的光纤传感器相比,又有许多优点，如：精度不受光源强度影响，受环境影响小，更加容易复用和实现分布式传感等[4-5]。目前在光纤传感及光纤通信领域具有非常广泛的应用。

光开关是重要的光无源器件，利用时分复用原理，光开关是实现光通信系统扩容行之有效的方法[6-7]。在FBG（光纤布拉格光栅）传感系统中，同样可以利用光开关的时分复用的特性，将同根光纤上光栅传感节点反射的信号在时间上进行区分，从而实现将系统可接入的传感节点数量成倍的增加，极大地降低了系统的成本，增强了系统的实用性，尤其是在长距离传感领域，比如长距离电缆监测等方面，更有实用价值。

为了提高光纤传感器空间的分辨率，需要光开关产生窄的光脉冲，因此需要研制和光开关匹配的高速高压驱动器，来产生纳秒级别的高压驱动信号。传统采用MOS管驱动的光开关驱动电路，产生的驱动脉冲上升、下降边沿都接近几百纳秒级别[8]，速率较低，无法满足光开关需快速切换要求。本文设计并实现了一种基于GaN HEMT器件的高速光脉冲调制电路，用来驱动基于时分复用的光纤布拉格光栅传感系统中的光开关。

1 基于时分复用的光纤布拉格光栅传感系统

基于时分复用的光纤布拉格光栅传感系统的基本结构如图1所示，系统由ASE（放大自发辐射）宽带光源、高速光脉冲调制器、光环形器、布拉格光栅传感器、波长相关正交干涉仪、高速信号采集处理及控制电路几个部分组成，布拉格光栅传感器通过一根光纤串联接入系统。

图1 基于时分复用的光纤布拉格光栅传感系统结构

该光纤传感系统的工作流程如下：首先由高速光脉冲调制器控制光开关，将宽带光源产生的光调制成光脉冲，之后再通过环形器将光信号传输到串联而成的光纤光栅传感器中；其次，当光信号传输到这些光纤光栅上时，由于每个Bragg（布拉格）光栅分别能够反射一个中心波长的光，这样在外界环境参量发生变化时，各个Bragg光栅的中心波长会发生漂移，而经过光栅传感的波长选择后，一组携带有待测信息的Bragg波长的窄带光波就被反射回来，之后这些反射光会分别经过环形器被正交干涉仪所接收，最后通过高速信号采集处理及控制电路进行数据分析与处理，获取待测信息。

通过高速光脉冲调制器控制光开关产生窄带光脉冲，使得从任何两个相邻光栅传感器上被反射回来的Bragg光波信号，在时间上都是间隔开的，从而可达到在同一根光纤中时分复用接入多个光纤光栅的目的。光脉冲越窄，代表着可接入的光纤光栅传感器空间距离分辨率越高。光在光纤中的传播速度大约为2x108m/s，如果要达到两个相邻光栅传感器之间的最小距离为20 m，则窄带光脉冲的时间宽度最大200纳秒，才能保证从两个光栅传感器上反射回的光信号不会重叠在一起。

基于时分复用的光纤布拉格光栅传感系统，需要光开关有足够快的切换速度，才能满足单套系统可接入足够多传感器的要求。目前可以实现纳秒级别的开关由电光晶体做成，电光晶体开关的控制电压普遍在200 V左右[9]。光开关是一种容性负载，把光开关驱动到一种状态相当于给电容充电，而使光开关恢复到默认状态相当于给电容放电，光开关切换速率越快，给电容的充放电时间就越短。因此光开关驱动电路不仅要输出高电压，还要为光开关提供较高的输出峰值电流。否则，高压驱动信号的上升以及下降沿就会恶化，光开关的切换速率就会降低。

2 高速光脉冲调制器电路设计

高速光脉冲调制器主要由高压升压电路和高压脉冲驱动电路两部分组成。

高压脉冲驱动电路的难点在于高压快速导通与关断电路，依赖于开关管的选型。氮化镓（GaN）功率半导体器件由于自身宽禁带半导体材料的特性优势，很多性能超越传统硅基功率器件，尤其是相较于硅MOSFET，氮化镓材料具备更高的临界电场、独有且出色的动态导通电阻、更低的电容，使其尤为适用于功率半导体器件，让GaN HEMT（氮化镓高迁移率晶体管）成为高速开关的理想之选[10-11]。但GaN HEMT的栅极驱动要求更为严苛，传统采用分立式元件驱动的电路，分立元件多，电路结构较复杂，导致保护电路复杂，从而可靠性较差。

本文选用意法半导体公司的集成一体化的半桥MasterGaN2芯片[12]。MasterGaN2是一款高功率密度600 V半桥驱动器，内部功能框图如图2所示，芯片内部集成两个600V常开型增强型GaN HEMT，每个开关管都集成一个优化的栅极驱动器，零反向恢复损失，集成了互锁功能和精确匹配的传输延迟，以及差分导通和关断栅极电流，这些功能可以实现精确、高效的开关操作，防止两个开关管同时导通导致短路或损坏。上、下开关管驱动部分集成UVLO（欠压保护）保护功能，可防止在低电源电压下工作时能效严重降低和潜在问题。同样，集成的热关断功能可防止器件过热。栅极驱动器的电平转换器和高效输入缓冲功能给GaN栅极驱动器带来非常好的鲁棒性和抗噪性。提供关闭引脚（SD/OD）允许通过MCU的专用引脚将功率开关设为空闲模式。支持最小可达5 ns的死区时间，高压输出波形具有比较快的上升（25 ns）和下降时间（15 ns），完全可以满足光开关所需纳秒级别的驱动信号要求。

图2 MasterGaN2芯片内部功能框

高压脉冲驱动器电路如图3所示。外部输入的PWM控制信号，经过两级高速逻辑门电路(U1,U2,U3,U4)进行转换，第一级逻辑门电路（U1,U2）将单个PWM信号转换成一对互补驱动信号，由肖特基二极管、电阻R和电容C构成死区时间设置电路，通过调整RC时间参数值来调整死区时间值。当第一级逻辑门输出高电平时，先由电阻R对电容C进行充电，实现对高电平驱动信号延时处理；当第一级逻辑门输出低电平时，由肖特基二极管对电容C快速放电，从而保证第二级逻辑缓冲电路前端输入的一对互补驱动信号满足死区时间设置要求。

图3 高压脉冲驱动器电路原理图

第二级逻辑缓冲电路(U3,U4)，对经过RC滤波后的边沿变缓的信号进行整形，输出信号边沿时间短（小于3 ns）的两个控制信号。这两个控制信号直接驱动MasterGaN2芯片内部两个GaN HEMT的逻辑控制管脚(HIN、LIN)。当PWM信号为高电平时，MasterGaN2芯片内上开关管导通、下开关管关闭，OUT管脚输出VS高压电平；当PWM信号为低电平时，上开关管关闭、下开关管导通，OUT管脚输出低电平。另外，BOOT和OUTB管脚间外接一个自举电容，与芯片内部包含的Bootstrap（自举）二级管一起构成自举电路，为上开关管驱动电路提供驱动电源。

高速光脉冲调制器电路设计难点还在于高压升压电路设计。

反激电路具有拓扑结构简单、体积小、成本低等优点，因此本文采用非隔离反激式升压电路，电路原理如图4所示。电路包括主控芯片单元、变压器、整流滤波单元及反馈单元等。

图4 高压升压电路原理图

主控芯片单元选用ADI公司的LT3757 DC/DC控制器[13]，LT3757在2.9V至40V的输入电压范围内工作，实现了高达96%的效率，在100KHz至1MHz的可编程固定频率，可与外部频率同步，支持多种电感器和电容器以优化尺寸、性能和成本，可用于升压、反激式、SEPIC和负输出电源等应用。

主控芯片LT3757通过GATE管脚控制MOS管导通关断。当MOS管导通时，变压器初级电感电流开始上升，此时由于次级同名端的关系，输出二极管截止，变压器储存能量，负载由输出电容提供能量；当MOS管关断时，变压器初级电感感应电压反向，此时输出二极管导通，变压器中的能量经由输出二极管向负载供电，同时对电容充电，补充刚刚损失的能量。

输出端通过分压电阻R15～R17、R22，检测输出电压的大小，控制MOS管导通的占空比，从而对输出电压进行调节。输出电压与分压电阻之间的关系为：

Sense管脚通过采样电阻进行采样输入电流，调整MOS管导通的占空比，从而限制输入的最大电流。

通过R9和R11电阻分压实现输入的欠压保护功能。

RT管脚外部连接一个电阻，设置开关的工作频率，图中电阻设置为140 K，设定工作频率为100 kHz。

经过测试验证，该高压升压电路能够稳定输出200 V高压，输出稳定，满足光开关的正常工作要求。

3 性能测试

测试系统原理框图如图5所示，由宽带光源、光开关、光环形器、通过一根光纤串联的三个布拉格光栅传感器、高速光脉冲调制器、FPGA控制模块、正交干涉仪、光电转换电路，及示波器。

图5 测试系统原理框图

由FPGA控制模块输出一个控制信号，控制高速光脉冲调制器产生周期性高压脉冲电平，通过此高压脉冲电平控制光开关的导通与关断，从而产生窄带光脉冲信号。由光环形器将光脉冲信号耦合至光栅传感器中，光环形器将光栅反射回的光脉冲输出到正交干涉仪，由光电转换电路进行光电转换及放大处理。示波器对高速光脉冲调制器、以及光电转换电路的输出信号进行监视。

图7 调制器输出电压上升沿波形

图8 调制器输出电压下降沿波形

通过示波器测试的高速光脉冲调制器输出信号如图6、7、8所示，光开关在有高压输入时为常闭状态，光开关驱动电压为200 V，驱动信号上升、下降边沿都小于25 ns；通过示波器测试的光电管输出信号如图9所示，可以看到检测到3个在时间轴上波形不重叠的光栅传感器信号。可见，高速光脉冲调制器满足系统的设计要求。

图6 高速光脉冲调制器输出电压波形

图9 光电转换电路输出信号波形

4 结束语

利用光开关的时分复用的特性，将同根光纤上光栅传感节点反射的信号在时间上进行区分，从而实现将系统可接入的传感节点数量成倍的增加，极大地降低了系统的成本，增强了系统的实用性，尤其是在长距离传感领域，更有实用价值。光开关的切换速度越快，可接入传感器的数量就越多。文章设计并实现了一种光开关的高速光脉冲调制电路，采用基于反激拓扑的高压升压电路，以及基于GaN HEMT（氮化镓高迁移率晶体管）的高速高压驱动电路。经过测试，此设计满足基于时分复用的光纤布拉格光栅传感系统中高速光开关的驱动电路要求，可以输出纳秒级别的高压脉冲信号，上升及下降边沿时间小于25 ns。