基于TPS40210的APD偏壓溫補(bǔ)電路設(shè)計(jì)

雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，簡(jiǎn)稱APD)作為微弱光信號(hào)的探測(cè)器件，具有量子效率高、響應(yīng)速度快、靈敏度高、線性范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其內(nèi)部雪崩倍增效應(yīng)可將信號(hào)倍增上百倍，且倍增后的噪聲僅與運(yùn)放本底噪聲水平相當(dāng)，大大提高了系統(tǒng)的信噪比，因而被廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、精密檢測(cè)、光纖傳感及光纖通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)了基于TPS40210的高壓偏置電路，同時(shí)以AD590溫度傳感器對(duì)該電路進(jìn)行自動(dòng)溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同溫度下，該電路能根據(jù)APD溫度特性自動(dòng)改變偏置電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)APD的增益穩(wěn)定。

1 偏壓及溫度對(duì)APD增益的影響

APD工作時(shí)需要一個(gè)較高的反向偏置電壓，其內(nèi)部增益大小與偏置電壓正相關(guān)。AD500—8為Silicon Sensor公司一款典型的APD，其內(nèi)部增益GAIN由偏置電壓UR跟擊穿電壓UBR的比值k(k1)決定，k越大，增益越大，如圖1所示。

APD的擊穿電壓UBR受環(huán)境溫度的影響。當(dāng)環(huán)境溫度變化引起UBR改變時(shí)，為了保持增益穩(wěn)定，需要對(duì)偏置電壓UR進(jìn)行調(diào)整。設(shè)溫度T0時(shí)APD擊穿電壓為UBR，溫度系數(shù)為α，當(dāng)溫度變化至T時(shí)，為了使增益穩(wěn)定在k處，則偏置電壓UR應(yīng)滿足：

UB=k[UBR0+α(T-T0)] (1)

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 TPS40210簡(jiǎn)介

TPS40210是TI公司推出的一款具有4.5～52 V寬輸入范圍的電流型異步DC/DC升壓控制器，通過外接N—MOSFET功率管可實(shí)現(xiàn)包括升壓、反激、SEPIC拓?fù)浼癓ED驅(qū)動(dòng)等多種設(shè)計(jì)，最高輸出電壓可達(dá)260 V。

TPS40210具有可編程軟啟動(dòng)、振蕩頻率可調(diào)、內(nèi)部斜坡補(bǔ)償、過流保護(hù)及低電流禁用等特點(diǎn)。同時(shí)，芯片采用3 mm×3 mm的DRC貼片封裝，加上外圍電路簡(jiǎn)單，利于便攜式、小型化設(shè)備的應(yīng)用。其原理框圖如圖2所示。

DIS/*EN控制芯片功能的禁止或使能;RC通過外接電阻到VDD、電容到GND(或者外部時(shí)鐘)來配置GDRV的輸出頻率(即外接N—MOSFET的開關(guān)頻率);FB為內(nèi)部誤差放大器反相輸入端，輸出電壓經(jīng)電阻分壓反饋至此端與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VFB(700 mV)比較，可設(shè)置輸出電壓;COMP為誤差放大器輸出端，與FB之間接補(bǔ)償控制網(wǎng)絡(luò);SS外接一個(gè)電容到地用于調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)時(shí)間兼過流放電：ISNS外接電阻進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)，結(jié)果反饋內(nèi)部斜坡補(bǔ)償電路，同時(shí)兼過流保護(hù)作用，當(dāng)ISNS端電壓超過限流閾值電壓VISNS(OC)(150 mV)時(shí)，控制器進(jìn)入限流狀態(tài)，同時(shí)SS端外接電容通過內(nèi)部電阻放電;BP引腳為內(nèi)部LDO輸出端，外接電容到GND。

2.2 高壓偏置電路

基于TPS40210的高壓偏置電路如圖3所示，其工作原理為：R1和G1決定N—MOSFET管Q1的開關(guān)頻率;L1、Q1、D1與Cp1組成反激式直流開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出高壓HV;R7為Q1源極電流采樣電阻，采樣結(jié)果經(jīng)R6與C6濾波后用于電流回路控制和過電流保護(hù);C5與R8用于濾除高頻毛刺;C7、C8和R9構(gòu)成濾波補(bǔ)償控制網(wǎng)絡(luò)，減小紋波;L2、C9、C10構(gòu)成π型濾波網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步減小輸出紋波;電阻R2、R3、R4構(gòu)成分壓反饋，用于調(diào)節(jié)輸出電壓大小。

TPS40210輸出頻率占空比最大為95%，占空比D與輸出電壓HV與輸入電壓VIN之間的關(guān)系為：

其中，VD為D1兩端正向壓降，IOUT為輸出電流，fSW為開關(guān)頻率。根據(jù)最大輸出高壓值HVMAX可由式(2)估計(jì)輸入電壓VIN的最小值，一般情況下取D92%。

TPS40210內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VFB范圍為686-714mV，典型值為700mV。在電路正常工作時(shí)，輸出電壓HV與VFB的關(guān)系如下。

式中VFB為常重，調(diào)節(jié)R4可得一定范圍變化的偏置電壓。分壓反饋電阻應(yīng)合理選擇：

1)R4為零時(shí)，HV取最大值，且最大值受式(2)約束;

2)為了保持功耗和噪聲之間的平衡，三個(gè)電阻之和在50～200 kΩ為宜。

2.3 溫度補(bǔ)償電路

AD590是一款電流輸出型集成溫度傳感器，具有精度高、線性度好、靈敏度高、體積小、輸出阻抗高等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于測(cè)溫控制、溫度補(bǔ)償等領(lǐng)域。其原理是輸出電流隨溫度同時(shí)同量變化，以絕對(duì)零度(-273℃)為基準(zhǔn)，每增加1℃，輸出電流增加1μA。

自動(dòng)溫度補(bǔ)償APD偏置電路如圖4所示，原理如下：在溫度T0下調(diào)節(jié)R20，使v3=0，即v1=v2，同時(shí)調(diào)節(jié)R4使HV為目標(biāo)值(kUBRO)，此時(shí)v4= v5=VFB。當(dāng)溫度升高時(shí)，v1增大，v2增大，故v5減小，反饋電壓低于VFB，此時(shí)TPS40210調(diào)節(jié)輸出占空比使HV升高，使v4增大，從而v5增大，維持反饋電壓與芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VFB相等;同理，當(dāng)溫度降低時(shí)，HV降低，從而實(shí)現(xiàn)了偏置電壓HV的自動(dòng)溫度補(bǔ)償。

根據(jù)圖4，電路穩(wěn)定工作后，有如下關(guān)系：

式中，σ為AD590的靈敏度且σ=1μA/K，T為熱力學(xué)溫度，v2為比較電壓，v2=R10σT0，T0定義見式(1)。若令(R3+R4)/(R2+R3+R4)=β，R14/R13=R12/R11=γ，R16/R15=R18/R17=1，化簡(jiǎn)方程組可得關(guān)系如下：

3 參數(shù)設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中參考TPS40210芯片手冊(cè)，基于效率、功耗與噪聲的均衡考慮，對(duì)圖3電路進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

當(dāng)輸入電壓18 V，輸出電壓130 V時(shí)，TPS40210控制器GDRV端的輸出信號(hào)如圖5所示，其幅值約8 V，占空比D=86.3%。

圖6展示了輸出電壓的交流信號(hào)波形。HV(AC)為未濾波的輸出紋波，紋波中摻雜著功率管的開關(guān)頻率干擾，約140mVP-P，經(jīng)過LC濾波網(wǎng)絡(luò)后，輸出紋波Vout(AC)小于20 mVP-P。

一款A(yù)D500—8型APD在22℃時(shí)擊穿電壓為130 V，溫度系數(shù)α0.45 V/℃。為獲得較大倍增系數(shù)M，根據(jù)圖1選擇k=0.95(M≈100)，則由(1)式可得：

UR=123.5+0.428(T-T0) (11)

工業(yè)環(huán)境溫度范圍一般為-40～85℃，則偏置電壓UR范圍是97～150 V，表1參數(shù)設(shè)計(jì)滿足此要求。利用該APD對(duì)圖4溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行測(cè)試，其中TPS40210芯片外圍基本電路參數(shù)按照表1設(shè)置。溫度采樣電阻R10=1kΩ，T0=295 K，UBR0=130 V，VFB=700 mV，由(10)得γ≈2.4。溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

1)R12=R14=24 kΩ，R11=R13=10 kΩ，R15=R16=R17=R18=10 kΩ;

2)調(diào)節(jié)R20，使v2=R10·σT0=295 mV;

3)在T0時(shí)，調(diào)節(jié)R4，使HV=kUBR0。

在不同溫度下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明電路輸出偏置電壓能夠隨溫度自動(dòng)改變，且偏壓與溫度近似呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約0.42V/℃，與式(11)的理論值相比相對(duì)誤差小于2%，滿足APD對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

4 結(jié)束語

基于TPS40210的高壓偏置電路最高輸出電壓可達(dá)260 V，且輸出紋波經(jīng)過濾波后小于20 mVP-P，滿足大多數(shù)APD器件對(duì)偏置電壓的要求。同時(shí)該芯片體積小、外圍電路簡(jiǎn)單，可用于手持式激光測(cè)距儀等小型化設(shè)備。

設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出偏置電壓的大小，使APD工作于穩(wěn)定增益狀態(tài)。將該電路應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室相位式激光測(cè)距原理樣機(jī)，有效降低了溫度列APD的影響，使非合作目標(biāo)測(cè)距精度在0～7 m內(nèi)優(yōu)于±3 mm。