Protección transitoria para el driver de conmutación del diodo láser de 0.5W

Question

Estoy algo avanzado en un proyecto que implica cambiar diodos láser de 0.5W a 100kHz, con un pulso de alrededor de 1us de ancho. Estoy teniendo problemas con los diodos (para los cuales no tengo una hoja de datos) que fallan después de aproximadamente mil millones de ciclos de conmutación.

A pesar de que veo una forma de onda bastante bien comportada con mi osciloscopio de 60MHz, estoy pensando que el problema podría ser transitorios, posiblemente demasiado rápidos para ser vistos en él.

El circuito que uso es el siguiente (un poco simplificado):

simular este circuito – Esquemático creado utilizando CircuitLab

Para encender el diodo, el FET se apaga, obviamente. La resistencia de 10R mantiene alrededor de 2V a través del láser en el estado de apagado, eso puede ser superfluo, no he probado sin él. El voltaje a través del láser en el estado encendido es de aproximadamente 5.5V. La fuente de corriente es un LM317 con una resistencia de 6R2.

Ahora me doy cuenta de que no hay protección contra transitorios, pero me pregunto cómo hacerlo. Un diodo para proteger contra voltaje negativo es obvio. ¿Pero qué hay de un diodo de pinzamiento contra sobrevoltaje? Creo que los Zeners no son lo suficientemente rápidos. ¿Pero qué tal algo como esto?

simular este circuito

D3 y D4 serían Schottky supongo. La idea es que el voltaje de pinzamiento siempre esté presente, por lo que la velocidad de pinzamiento depende únicamente del diodo, que debería ser muy rápido. Es un poco derrochador de energía y componentes, pero eso no es realmente un problema aquí.

Los cables desde la PCB del controlador al diodo son un poco largos (aproximadamente 15 cm), eso también podría mejorarse en una rediseño de la PCB del controlador.

¿Opiniones? Si alguien tiene experiencia directa con estos circuitos y experiencia del mundo real para ofrecer, sería muy apreciado.

Answer 1

Utilice un plano de TIERRA.

Y haga que el área cerrada de M1, R1, D1 sea de aproximadamente 0.5 cm por lado. En otras palabras, debería reducir la inductancia, a través de la cual fluye la corriente conmutada, a solo unos pocos nanoHenrios.

Dado Vspike = L * dI/dT,

con una inductancia de 100 nanoHenrios (4", 100mm, de cable NO sobre un plano) y una conmutación de 0.2 amperios en 5 nanosegundos, el

Vspike = 100nH * 0.2amp / 5nsec = (las 'nano' se cancelan) == pico de 4 voltios.

Observe que el generador de pico es M1/R1/D1. Puede colocar el controlador de compuerta a cierta distancia, pero use un cable de par trenzado o coaxial para conectar a la compuerta del FET. Y explore el uso de la terminación de fuente (aproximadamente 100 ohmios en la entrada al ParTren, o 50 ohmios en la entrada al coaxial). Si elige mirar la señal de la compuerta, use una sonda activa de 1pF o 2pF, con la tierra de la sonda conectada a solo 1 cm de distancia al plano de TIERRA.

Answer 2

Gracias a quienes publicaron sugerencias, y especialmente analogsystemsrf. La solución resultó ser un rediseño de la placa del controlador. En lugar de un interruptor MOSFET, opté por un diseño bipolar discreto, básicamente porque resultó ser más fácil lograr una subida y bajada controlada de la corriente láser. La fuente de corriente también se mejoró utilizando un transistor PNP discreto.

También hicimos un rediseño físico para reducir la longitud de los cables a menos de 100 mm.

Con el rediseño, la forma de onda de voltaje / corriente se comporta muy bien, con tiempos de subida / bajada de alrededor de 100 ns, y sin oscilaciones detectables cuando se ve con el osciloscopio. Dado que el ancho de pulso tiene un valor mínimo de alrededor de 500 ns, esto está bastante bien.

También agregué algunos diodos TVS en todos los puertos de entrada para proporcionar cierta protección contra descargas electrostáticas por el manejo normal de la unidad.

En una primera prueba, hemos podido escanear durante algunas horas sin problemas con el láser. Con suerte, el problema ahora está resuelto.