半導(dǎo)體激光器溫度控制電路設(shè)計(jì)

摘 要： 在對(duì)激光器的溫度控制理論作了深入研究的基礎(chǔ)上，為了使激光器工作時(shí)溫度恒定，設(shè)計(jì)了一種新型的溫度控制電路，電路中采用了ADN8831作為的核心器件，結(jié)合PWM控制方案，完成了包括輸入級(jí)、補(bǔ)償環(huán)節(jié)、輸出級(jí)、濾波電路和保護(hù)及檢測(cè)電路的硬件電路設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)際連接激光器實(shí)驗(yàn)，溫度控制精度可達(dá)0.01 ℃。電路具有體積小、效率高、可靠性高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以為激光器提供恒定的溫度控制。

關(guān)鍵詞： 溫度控制； 半導(dǎo)體激光器； TEC； PID

中圖分類號(hào)： TN722?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）20?0153?03

0 引 言

通過對(duì)半導(dǎo)體激光器特性的研究，可知溫度對(duì)激光器的正常工作有著重要的影響。溫度會(huì)直接影響到半導(dǎo)體激光器的工作參數(shù)包括[1]：閾值電流、V?I關(guān)系、輸出波長、P?I關(guān)系等。同時(shí)高溫也會(huì)對(duì)激光器產(chǎn)生極大的影響，嚴(yán)重影響其使用壽命和效率。本文采用ADN8831溫度控制芯片[3]為激光器提供恒定且可調(diào)的工作溫度來保證激光器高效率工作。

1 溫度控制芯片介紹

根據(jù)半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度的要求，選定ADN8831作為激光器的溫度控制主芯片。ADN8831芯片是目前最優(yōu)秀的單芯片高集成度、高輸出效率和高性能的TEC驅(qū)動(dòng)模塊之一。ADN8831的最大溫漂電壓低于250 mV，能夠使設(shè)定溫度誤差控制在±0.01 ℃左右。在工作過程中，ADN8831輸入端的電壓值對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)定好的目標(biāo)溫度。適當(dāng)大小的電流流過TEC，使TEC加熱或制冷，在這個(gè)過程中使激光器表面溫度向設(shè)定溫度值靠近[2]。此芯片還有過流保護(hù)功能，可編程開關(guān)頻率最高可達(dá)1 MHz。

2 TEC控制原理

TEC（Thermo Electric Cooler）實(shí)際上是用兩種材料不同半導(dǎo)體（P型和N型）組成PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)中有直流電流通過時(shí)，由于兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結(jié)移動(dòng)過程中產(chǎn)生吸熱或放熱效應(yīng)（帕爾帖效應(yīng)[4]），就會(huì)使PN結(jié)表現(xiàn)出制冷或制熱的效果，改變電流方向即可實(shí)現(xiàn)TEC加熱或制冷，調(diào)節(jié)電流大小即可控制加熱或制冷量的輸出[5]。利用TEC穩(wěn)定激光器溫度方法的系統(tǒng)框圖[6]如圖1所示。

圖1中貼著激光器右側(cè)的是溫度傳感器，這里使用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。這個(gè)熱敏電阻是用來測(cè)量安放在TEC表面上的激光器的溫度。期望的激光器溫度用一個(gè)固定的電壓值來表示，與熱敏電阻產(chǎn)生的電壓值通過高精度運(yùn)算放大器進(jìn)行比較，比較后產(chǎn)生的誤差電壓通過高增益的放大器放大，同時(shí)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)因?yàn)榧す馄鞯睦錈岫艘鸬南辔谎舆t進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后驅(qū)動(dòng)H橋輸出，H橋不僅控制TEC電流的大小還能控制TEC電流的方向。當(dāng)激光器的溫度值低于設(shè)定點(diǎn)溫度值時(shí)，H橋會(huì)朝TEC一個(gè)方向按一定的幅值驅(qū)動(dòng)電流，此時(shí)TEC處于加熱狀態(tài)；當(dāng)激光器的溫度值高于設(shè)定點(diǎn)溫度值時(shí)，H橋會(huì)減少TEC的電流大小甚至?xí)淖僒EC的電流方向，這時(shí)TEC就處于制冷狀態(tài)。當(dāng)控制環(huán)路達(dá)到平衡時(shí)，TEC的電流的大小和方向就調(diào)整好了，激光器溫度就會(huì)慢慢的向設(shè)定好溫度靠近。

3 溫控電路設(shè)計(jì)

3.1 輸入部分設(shè)計(jì)

3.2 補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

PID（Proportion Integrator Differentiator）比例積分微分調(diào)節(jié)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是TEC溫控電路中最關(guān)鍵的部分，它決定了TEC控制器的響應(yīng)速度和溫度穩(wěn)定性。PID相當(dāng)于放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，用比例運(yùn)算和積分運(yùn)算來提高調(diào)節(jié)精度，用微分運(yùn)算加速過渡過程，較好地解決了調(diào)節(jié)速度與精度的矛盾。PID的數(shù)學(xué)模型可用式（4）表示：

式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

在進(jìn)行修正時(shí)，一般采用調(diào)節(jié)補(bǔ)償電路參數(shù)的方法來使TEC控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和精度變得更優(yōu)[9]。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，把前級(jí)誤差運(yùn)放的輸出連接到溫度補(bǔ)償電路的輸入管腳上，這樣就完成了溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)，具體電路連接圖如圖4所示。

由于本文中測(cè)溫目標(biāo)為激光器，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和計(jì)算，系統(tǒng)的參數(shù)通常這樣選取[10]：R5=100 kΩ，RH=1 MΩ，RF=200 kΩ，C1=1 μF，C2=10 μF和一個(gè)330 pF的反饋電容。

3.3 輸出部分設(shè)計(jì)

ADN8831是一個(gè)差分輸出方式的TEC控制器。搭建一個(gè)外圍H橋電路產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娏鱽眚?qū)動(dòng)TEC，使其對(duì)半導(dǎo)體激光器加熱或制冷。如圖5所示。

圖中的P1，P2，N1，N2，OUTA，OUTB分別連到ADN8831的P1，P2，N1，N2，OUTA，OUTB引腳上。TEC控制器設(shè)在H橋中間，構(gòu)成一個(gè)不對(duì)稱橋。ADN8831對(duì)H橋的左支采用開關(guān)方式驅(qū)動(dòng)，右支采用線性方式驅(qū)動(dòng)，即當(dāng)開關(guān)管N1導(dǎo)通、開關(guān)管P1關(guān)閉、P2常通、N2常閉時(shí)，電流從TEC的OUTB端經(jīng)TEC流向OUTA端，此為制冷狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)管N1關(guān)閉、開關(guān)管P1導(dǎo)通、P2常閉、N2常通時(shí)，電流從TEC的OUTA端經(jīng)TEC流向OUTB端，此為致熱狀態(tài)。這種靈活又方便的外接H橋，能更好的提高電源效率，減小紋波電流，增加了散熱路徑。

用非對(duì)稱H橋驅(qū)動(dòng)TEC，其中器件的選擇要考慮兩個(gè)因素：

（1）TEC工作的最大電流是多少；

（2）導(dǎo)通電阻最小可以是多少（考慮功率耗散問題）。

本文采用的是FAIRCHILD SEMICONDUCTOR公司的FDW2520C芯片。該芯片由一對(duì)PMOS和NMOS管構(gòu)成，其中PMOS管能夠提供的最大電流為4.4 A，導(dǎo)通電阻為35 mΩ；NMOS管能夠提供的最大電流為6 A，導(dǎo)通電阻[2]為18 mΩ。

3.4 濾波電路

為了使ADN8831有效地驅(qū)動(dòng)TEC，其電壓必須穩(wěn)定，上述的外圍H橋電路產(chǎn)生的是0～VCC的脈沖寬度調(diào)制方波。所以，這時(shí)候就需要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波電路來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的目的。設(shè)計(jì)采用R?L?C低通濾波網(wǎng)絡(luò)，其等效電路如圖6所示。

圖6中，RL表示TEC電阻，R1是C1的等效串聯(lián)電阻，R2等于L1的寄生電阻加上Q1或Q2的導(dǎo)通電阻，并且R1和R2要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RL，VX是在PVDD和PGND之間變化的脈沖寬度調(diào)制電壓，這個(gè)電路構(gòu)成了一個(gè)二階的低通濾波網(wǎng)絡(luò)[12]。

4 保護(hù)與檢測(cè)電路

ADN8831內(nèi)部提供了相關(guān)保護(hù)電路，這樣起到保護(hù)TEC防止激光器因過熱而損壞。因?yàn)橛袝r(shí)候通過TEC的電流有可能大于額定工作電壓，這樣會(huì)燒壞TEC和半導(dǎo)體激光器，造成經(jīng)濟(jì)上的損失。圖7為保護(hù)與檢測(cè)電路。

5 結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)及分析得到，溫度控制偏差為±0.01 ℃。系統(tǒng)的恒溫控制精度取決于溫度采樣值與溫度設(shè)定值的特性，傳感器本身的精度較高，其靈敏度取決于其本身特性。若是想得到高穩(wěn)定性的電壓設(shè)定值，則需要使用高穩(wěn)定性、高精度、低溫漂的穩(wěn)壓源。此外，系統(tǒng)電路也要使用低溫漂、高穩(wěn)定性的器件。

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