ISSN 1975-8359(Print) / ISSN 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64, No. 5, pp. 746~750, 2015 http://dx.doi.org/10.5370/kiee.2015.64.5.746 펄스반복주파수코드에동기된출력가변형레이저다이오드드라이버구현 Implementation of the Variable Output Laser Diode Driver Synchronized with a Pulse Repetition Frequency Code 이영주 * 김용평 (Young-Ju Lee Yong-Pyung Kim) Abstract - In this paper, we propose a simulator to evaluate the performance of the semi-active laser guidance or the quadrant photodetector and to simulate the laser power reflected from a target. The laser pulse repetition frequency was generated and synchronized with the laser pulse repetition(prf) code. To evaluate the performances of the proposed methods, we implemented a prototype system and performed experiments. As a result, the generated high voltage was variable in the range of DC 3V to 340V and has the rate of change of 2000 V/s. PRF code can be generated within 50ms 100ms and the error is implemented within 0.3ns. The laser output is synchronized with the PRF code and has a dynamic range of 23.6dB. Key Words : Laser Diode Driver, PRF, Target Simulator, FPGA, ZYNQ 1. 서론레이저광은방향성이매우좋기때문에레이저거리측정기로민수및군사용으로많이사용되고있다. 특히군사용으로많이사용하는분야로는 1.06um 레이저로유도되는정밀유도탄을예로들수있다 [1]. 레이저유도탄운용방식으로는표적을지시한레이저광을따라서비행하도록유도시키는방식인레이저빔라이더 (laser beam rider) 와지상군의표적지시기에의해반사되는반점을이용하여유도되는반능동형레이저유도방식 (semi-active laser guidance, SAL) 으로구분된다 [2]. 반능동형레이저유도방식에서는레이저펄스반복주파수 (laser Pulse Repetition Frequency, PRF) 를발생하여해당펄스만을추적하는방식이다. 국내외군사용레이저표적지시기의레이저펄스반복율은 8 20Hz로구동되고있다. 펄스발생방법에는크게 2가지로분류되며펄스반복률이주기적으로변동되는방식 (pulse interval modulation, PIM) 과일정한펄스반복율만발생하는방식 (pulse repetition frequency, PRF) 으로구분된다 [3]. 군사용으로사용되 Corresponding Author : Dept. of Electronics and Radio Engineering, Kyung Hee University, Korea. E-mail: ypkim@khu.ac.kr * Dept. of Electronics and Radio Engineering, Kyung Hee University, Korea and R&D Center, Allimsystem Co.,Ltd., Korea. Received : February 03, 2015; Accepted : April 20, 2015 는표적지시기및반능동형레이저유도탄체계에는두가지방식을모두지원한다. 그림 1은 PRF 방식으로펄스반복시간 (t) 이일정한주기를나타내며그림 2는 PIM 방식으로집단 (A,B,C) 별다른펄스반복시간 (t0 t1 t2) 으로일정주기를갖는다. 그림 1 레이저펄스반복주파수 Fig. 1 Laser pulse repetition frequency 그림 2 레이저펄스간격변조 Fig. 2 Laser pulse interval modulation 군사용으로사용되는장거리표적지시기는 Nd:YAG 레이저로 10ns 20 ns의레이저펄스폭 (FWHM) 을갖으며펄스반복율은 8 20Hz( 펄스반복시간 t = 50 125ms) 에서구동된다. NATO STANAG 3733 기준으로 PRF 및 PIM 코드시간오차는 0.1ms 이내로규정되어사용된다 [4]. 746 Copyright c The Korean Institute of Electrical Engineers This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 5, MAY, 2015 표적지시기에서조사된에너지는 Lambertian 표적물이라가정하면표적으로부터거리 (R) 와에너지는 E 1/R 2 함수관계를갖으며 PRF 주기로 SAL 또는광검출기에서에너지를검출한다 [4]. 그림 3은반능동형레이저유도방식에서목표물과거리에따른검출에너지특성을보여준다. 레이저표적지시기에서조사된레이저는유도탄이목표물에가까워질수록검출기에서획득되는에너지는증가하게된다. 본논문에서는 SAL 탐색기또는 4분할광검출기의성능평가가가능한모사장치로써 PRF 코드와동기화된레이저출력가변구동드라이버를구현하여평가하였다. 버스인터페이스, AXI 사용자로직부와연동하여제어하였다. NATO 규격인오차 0.1ms 이내의 PRF 코드를발생하기위하여 100MHz를기준클럭으로 10ns 단위의펄스카운터를설계하였다. 그림 5와같이프로세서부인 PS 로직으로신호처리및제어하여 AXI 사용자로직에저장한다. 32비트데이터 PRF 발생주기와 16비트펄스폭데이터를전송하여기준클럭을이용한카운터와비교하여레이저펄스를제어가능한구조로설계하였다. 그림 5 PRF 발생로직인터페이스 Fig. 5 PRF generation logic interface 그림 3 표적거리와에너지변화 Fig. 3 Target range and energy variation 2. 본론 2.1 PRF 발생로직설계 FPGA(field programmable gate array) 는프로세서코어 (processing system, PS) 및로직 (programmable logic, PL) 을내장한 Xilinx 사의 ZYNQ SoC를적용하였으며 PRF 코드발생부는 PL 로직에구현하였다. 그림 4와같이프로세서인 PS, AXI 카운터내부에서사용되는신호및발생타이밍은그림 6과같다. 레이저펄스폭 10 100ns의펄스를만들기위해 100MHz의기준클럭의상승에지에서 CLK CNT 값이 1 이될때 PRF Shot을상승시켜레이저다이오드구동을시작한다. CLK CNT 값과 PRF Width 값 (m) 이일치하면기준클럭상승에지에서 PRF Shot을하강시켜레이저다이오드구동을멈춘다. PRF Code 주기는 PRF폭이결정된이후 CLK CNT가 PRF Code값 (n) 가일치할때마다상승시켜 PRF 주기를완성한다. 50ms의 PRF 코드를설정하기위해서 n = 5,000,000 값을 AXI 사용자로직인레지스터에전송한다. 발생펄스폭은레이저구동드라이버의조건에따라변경이가능한구조로설계되었으며 100ns 기준으로 m = 11을기본으로설정하였다. 그림 6 PRF 발생타이밍 Fig. 6 PRF generation timing 2.2 가변출력레이저다이오드드라이버설계 그림 4 PRF 발생로직을포함한 ZYNQ 구성도 Fig. 4 ZYNQ configuration with PRF generation logic 가변출력레이저다이오드드라이버의설계기준은펄스반복율이최대 20Hz ( 펄스반복시간 : 50ms) 일때가변최대전압은 50V, 충전전압상승시간은 25ms, 하강시간은 25ms 이내로제한하였다. 레이저다이오드드라이버구동은전압조절방식을적용하였으며전압은최소 DC 3V 에서최대 DC 340V 까지가변이가능하다. 최소전압에서최대전압까지충전시간은 400ms 이내로설계하였다. 전압발생은 PWM(pulse width modulation) 제어방식과전압되먹임 (feedback) 을이용하여구현하였다. PRF 코드가결정되고구동이시작되면첫번째레이저조사 펄스반복주파수코드에동기된출력가변형레이저다이오드드라이버구현 747
전기학회논문지 64 권 5 호 2015 년 5 월 후다음 PRF 발생시간이내에해당전압을캐패시터에빠르게충전하고일정한상태를유지해야안정적인레이저출력을조사할수있다. 또한설정한 DC 전압에포함된리플전압은레이저출력에너지변화량으로존재하기때문에설정전압에서리플을최소화해야한다. 고압발생부는 PWM 및 FET 게이트드라이버 (gate driver), 고압발생부, 발생제어부로구분된다. PWM 및 FET 드라이버는그림 7 에서 SG3525의 R143, R144, C77 값을조정하여 56kHz 로발진하며발생제어로직에의해 on/off 상태를반복하게된다. 500mV를보여주며레이저출력에미세한영향을줄수있는범위이다. 그림 9의우측그림은 R = 470Ω, C = 1nF 적용시 Td_on은약 500ns 이하로실시간으로전압제어가가능함을보여준다. 이때리플전압은 100mV 이하로측정되어레이저출력에영향을최소화하였다. 그림 9 RC 필터값과리플전압 ( 좌 :150kΩ, 우 :470Ω) Fig. 9 Ripple voltage and RC Filter value 그림 7 PWM 및 FET 게이트드라이버회로 Fig. 7 Circuit of PWM and FET gate driver 고압발생부는전력효율및고전압발생에유리한 full-bridge 방식으로구동되어 DC 24V 입력조건에서최소출력 3V에서최대출력 340V 까지발생가능하다 [5]. 발생된전압은레이저구동전압원으로캐패시터에저장된다. 사용자설정전압과비교하기위하여 100:1 비율로낮추어최대 DC 3.4V의되먹임전압을비교기에입력하며고주파잡음및리플전압을최소화하기위해 RC 필터를적용하였다. 레이저다이오드드라이버의 MOSFET과 PFN(pulse forming network) 회로를이용하여 10 20ns 펄스폭을발생시키며캐패시터에충전전압값을가변하여에너지를출력한다. 그림 10은최대 DC 500V 및 16A의레이저다이오드구동이가능한 IXYS 사의 DE275-501N16A와 IXDN-409를이용하여구현한회로이며소형화가가능한크기로제작하였다. 그림 10 레이저다이오드드라이버회로및보드형상 Fig. 10 Circuit and PCB of laser diode driver 그림 8 Full-Bridge 방식의고압발생부회로 Fig. 8 Circuit of high-voltage generation with full-bridge 비교기준전압을설정하기위해서 ZYNQ 프로세서와 DAC(digital-analog converter) 를이용하여구현하였다. 기준전압과출력전압을비교하여 PWM을제어할때잡음에의한오작동을감소하기위해 RC시정수를적용하였다. RC 시정수의값에따라고전압에포함된리플값에영향을받게된다. 그림 9는전압상승또는멈춤제어용비교기출력제어신호 (on/off control), RC 시정수에의한전압상승지연시간시간 (Td_on) 과비교기의히스테리시스구간에의한멈춤지연시간 (Td_off) 을보여준다. 그림 9의좌측은 2.9V의문턱전압을갖는슈미트트리거게이트에 R = 150kΩ, C = 1nF의 RC 필터적용할때 Td_on은약 400ms의지연시간을갖는다. DC 300V에서리플전압은약 15ns 펄스폭을갖는레이저를구현하기위하여중심파장 1060nm, 파워 10W출력을갖는 FRANKFURT Laser Company사의 FLPI-1060 레이저다이오드를사용하였다. 그림 10의 R3와 C3 시정수를조정하여 13ns 16.7ns 펄스폭을갖는구동드라이버를구현하였다. R3은 1.36Ω 으로고정하고 C3값에따른출력특성은표1 과같다. 표 1 정전용량에따른레이저펄스폭 (R3=1.36 Ω) Table 1 Laser pulse width and capacitance Capacitance(pF) 1760 1980 2420 C3 Pulse width(ns) 13.4 15.1 16.7 레이저첨두치출력은펄스폭 15.1 ns 일때동작전압 3V에서 12mW로측정되었으며최대동작전압 340V 에서 28W로측정되었다. 748
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 5, MAY, 2015 2.3 평가 표 2 PRF 주기와 레이저 출력 오차 Table 2 PRF repetition and laser output error 시스템은 고전압 발생부(high voltage generator), 레이저 다 이오드 드라이버 및 펄스 형상 발생부, PRF 발생 및 에너지를 설정하는 FPGA부, 디지털 데이터를 기준 값으로 변환하는 DAC, 발생전압과 기준 값을 비교하는 비교기(comparator)로 구성되었 으며 그림 11과 같다. PRF주기(ms) 오차(ns) Standard Deviation 50 70 90 110 125 0.1 0.14 0.3 0.24 0.3 그림 13은 PRF 주기에 따른 전압 가변특성을 보여주며 PRF 최대 주기인 50ms와 동기화되어 10V 단위로 측정 하였다. 25ms 동안 상승 가능한 전압은 50V 로 측정되어 2000 V/s의 반응특 성을 확인하였다. 그림 11 제어 연결 구성도 Fig. 11 Connection between each boards 신호처리 보드는 ZYNQ 평가보드인 Xilinx사의 ZedBoard를 사용하였으며 보드 형상은 그림 12와 같다. FPGA에서 발생 전압 값을 DAC에 전송한 후 제어 신호를 이용하여 고전압 발생보드를 구동하면 비교기에서는 설정된 DAC의 기준 값 보다 큰 값이 검 그림 13 PRF 주기에 따른 전압 가변 특성 출될 때 전압 발생을 멈추는 방식으로 제어한다. 기준 값 보다 작을 경우 다시 고전압을 발생시켜 원하는 전압으로 안정화한다. 이때 FPGA는 PFN을 포함하고 있는 레이저 다이오드 드라이버 를 이용하여 PRF 주기와 동기화하여 레이저를 발생시킨다. 그림 12는 제작보드 형상 및 연결도를 보여준다. 그림 14는 PRF와 동기화된 레이저 출력 가변특성과 100ms 주기와 동기된 레이저 출력이 선형적으로 변하고 있음을 보여준 다. 오실로스코프의 대역폭의 한계로 PRF 주기와 15ns의 레이저 펄스폭을 동시 측정이 불가하여 각각 측정하여 평가하였다. Fig. 13 voltage variation corresponding to PRF 그림 14 레이저 펄스 열 및 펄스폭 그림 12 제작 보드 형상 Fig. 14 Laser pulse train and pulse width Fig. 12 System block diagram 3. 결 론 레이저 PRF 주기 발생 오차는 Thorlabs사의 EDT01CFC광 검 출기와 Agilent사의 53132A 주파수 측정기를 이용하였으며 측정 표준편차 0.3 ns 이내로 측정되었다. 펄스 반복 주파수 코드에 동기된 출력 가변형 레이저 다이오드 드라이버 구현 본 논문에서는 반능동형 레이저 유도방식에서 사용되는 SAL 탐색기 또는 4분할 광 검출기의 성능을 평가가능한 모사기를 구 749
전기학회논문지 64 권 5 호 2015 년 5 월 현하였다. 또한레이저펄스반복주파수발생및표적에서반사된레이저출력모사에적합한 PRF와동기된펄스출력가변형레이저다이오드드라이버를구현하여평가하였다. 레이저다이오드구동전압은 3 340V 까지발생되며발생주기는 PRF 코드와동기되어 2000 V/s 의변화율로제어하였다. PRF 코드는 8 20Hz(50 125ms) 이내로구현되었으며발생최대오차는 0.3 ns 이내로측정되었다. 레이저출력은 PRF 주기와동기되며최소 12mW, 최대 28W 로 23.6dB의동적범위를갖는다. 이러한출력을갖는모사장비는반능동형레이저유도방식을사용하는탐색기내광검출기및시스템평가에적합할것으로판단된다. 향후레이저출력감쇠기 (neutral density 필터 ) 를적용하여모사에너지의동적범위를확장하면장거리표적에해당하는낮은에너지모사도가능할것이다. 김용평 (Yong-Pyung Kim) 1955년 2월 9일생, 1979년경희대학교공대전자공학과졸업, 1981년동대학원전자공학과졸업 ( 석사 ). 1986년 Keio Univ. 대학원전기공학과졸업 ( 공박 ). 1986년 1988년 Imperial College of Science and Technology 연구원. 1988년 1996년한국표준과학연구원레이저연구실장. 1996년 현재경희대전자정보대학전자전파공학과교수 E-mail: ypkim@khu.ac.kr References [1] Luke S. Strohm, A terminal guidance model for smart projectiles employing a semi-active laser seeker, US Army Research Laboratory, August 2011. [2] S. C. Kaushik, Advances in contemporary physics and energy, Applied Publishers PVT. Limited, pp. 50-51, 2002. [3] J. N. Tripathi, pulse-interval modulation signal transmission, West indian journal of engineering, 1999. [4] Maj. Roberto Sabatini, Mark A. Richardson, Airborne laser system testing and analysis, NATO Flight Test Techniques Series, vol. 26, 2010. [5] Hong Huang, Designing an LLC resonant half-bridge power converter, design reviews, SLUP 263, 2011. 저자소개 이영주 (Young-Ju Lee) 1972년 3월 10일생, 1995년목원대학교공대전자공학과졸업. 1997년동대학원전자및컴퓨터공학과졸업 ( 석사 ). 1999년경희대공대전자공학과박사수료. 현재 알림시스템부설연구소수석연구원. E-mail: laserguy.young@gmail.com 750