大功率半導體激光器高精度溫控系統研究

王宗清，段 軍，曾曉雁

(華中科技大學武漢光電國家實驗室，武漢430074)

引 言

半導體激光器(laser diode，LD)的性能受溫度的影響很大，如閾值電流、輸出光波長和功率都會隨溫度變化。在LD電流恒定的情況下，激光波長隨溫度的偏移量為0.2nm/℃ ～0.3nm/℃。在18℃ ～28℃范圍內，LD抽運的Nd∶YAG激光器在LD溫度變化時，激光器輸出功率隨之發生較大變化［1-2］。隨著LD被越來越廣泛地用于國防、科研、醫療、光通信等領域，半導體激光器對波長和功率的穩定性提出了很高的要求，這就要求對LD進行高精度溫控［3-5］。

以Analog Devices公司的芯片DN8830為例，當前國外處于領先水平的公司推出半導體制冷器(thermoelectric cooler，TEC)控制芯片可實現±0.01℃激光器溫控精度。目前，國內多對大功率LD采用水冷來進行控溫，其響應速度慢、溫控精度低。而利用TEC對LD進行溫控，由于其驅動電路電流不超過3A，無法滿足大功率制冷需求。報道的最高精度為±0.05℃［6］。本文中的溫控對象為nLIGHT額定出光功率50W的半導體激光器，發熱效率約47%，最佳工作溫度25℃。采用TEC1-12710作為制冷片，TEC由大電流恒流源電路驅動，驅動電流可達7.5A［7］。采用分段積分的比例-積分-微分(proportion-integration-differentiation，PID)算法自動調整控制量［6］，以高精度、線性可調節的恒流源驅動TEC，完成對TEC制冷功率的精細調整，實現高精度溫控。

1 LD溫控系統設計

LD溫控在LD抽運固態激光器中，屬于控制系統的一個部分。溫控系統設計框圖如圖1所示，主要由三部分構成:第一部分由測溫電路、數/模(digital/analog，D/A)轉換電路和恒流源電路構成，完成對LD的溫度的高精度測量，溫度傳感器為10kΩ熱敏電阻，裝置在LD激光器殼體內，可以高精度測量LD內部溫度，測量精度可達0.01℃;第二部分為控制核心數字信號處理(digital signal processing，DSP)F28335，由內部自帶的12位A/D模塊完成對溫度信號的采集，和數據處理以及溫度控制;第三部分為DSP外設溫度預值電路，由鍵盤和液晶組成的人機交互模塊，實現溫度的設定與顯示，RS232串口為保留的通信接口，與上位機通信。

Fig.1 Diagram of system structure

該溫控系統工作原理為:熱敏電阻將LD的溫度信號變為電壓信號，放大濾波后送入A/D模塊轉換成數字信號輸入到DSP。DSP對該信號進行分段積分的PID運算處理后，輸出控制量，經過D/A轉換為合適控制電壓，調整恒流源電流大小，來控制TEC制冷量的控制，實現對溫度的精確控制，并在液晶上實時顯示LD溫度值。由于TEC在制冷量恒定時，其驅動電流大小隨TEC冷熱端溫差的變化發生改變，為保證控制效果，系統需在TEC的制熱端安裝熱沉等有效的散熱裝置。圖1中，LCD(liquial crystal display)為液晶顯示器。

1．1 測溫電路

測溫電路如圖2所示，由恒壓源、不平衡電橋熱電阻測量電路和運放器INA114組成。采用不平衡電橋測量電路可防止測量電路輸出負電壓，避免電壓變化幅度超過A/D轉換電壓范圍0V～3V而損壞DSP。采用恒壓源對熱敏電阻檢測電路供電的方式，是因為10kΩ NTC在0℃ ～50℃溫度范圍內變化時，其阻值變化范圍較大，約為28kΩ～4kΩ，可以消除導線自身隨溫度變化而引起電阻變化的影響，同時可以限制電壓過高而損壞運放器。

Fig.2 Circuit of temperature measurement

恒壓源選用低噪聲高精度的ADR4550模塊，給電橋提供5V電壓，其最大初始誤差為±0.02%，長期輸出電壓漂移低，有效提高測溫精度。電路中高精度儀表運放INA114具有低輸入偏置電流，高共模抑制比，可以準確放大電壓信號，滿足測量要求。

圖2中輸出電壓Vt與熱敏電阻Rt的關系為:

式中，K為儀表運放增益。

由于DSP內部A/D輸入電壓范圍為0V～3V，應合理選擇電阻值，避免Vt超過轉換范圍;A/D輸入端口設計了限幅電路，防止電壓過高損壞DSP。系統設計R1=R2=100kΩ，R3=50kΩ;經過計算電路正常測溫范圍為 -12℃ ～55℃，電路工作于 25℃時，Vt=1.33V滿足設計要求。

1．2 TEC控制電路

由于溫控系統要求較大制冷功率，所以設計了大電流電路驅動TEC，電流峰值達到7.5A，穩態時約為6.5A，TEC最大制冷功率達到80W。經實驗驗證，此控制電路可實現0.01A的高分辨率線性調節，實現高精度調節TEC制冷功率。

控制電路包括12位串行DAC7611構成的數模轉換電路和恒流源電路兩部分［8］。其工作原理是由DAC7611將DSP輸出的控制量轉換成電壓信號，通過控制恒流源電流大小，來控制TEC的制冷量。

DAC7611屬于12位串行輸入的模數轉換器，轉換時間快達7μs，無需額外提供參考電平，簡化了電路，且其接口可直接匹配F28335芯片，方便設計。輸出電壓線性可調范圍為0V～4.095V，轉換誤差為±0.01V，滿足恒流源電路的控制精度要求。

恒流源電路主回路由穩壓輸出的開關電源、調整管Q1、TEC測流電阻Rs組成。調整管Q1為IRF1503，其導通電阻Rd僅為3.3mΩ，具有轉換速度快的特點。測流電阻PBV-R010的阻值較小，需對測得電壓進行高倍放大。R7，R8，R9和R10均為高精度電阻，以提高精度。比例-積分電路中運放LM7171為高速運放，匹配電路實時快速調整的要求。恒流源電路如圖3所示。

Fig.3 Circuit of constant current source

圖3 中TEC驅動電流與控制電壓的關系為:

式中，R7=R8，R9=R10，Vc為 DAC 輸出的控制電壓，I為TEC驅動電流。

恒流源電路工作原理是:測流電阻將電流值轉化成電壓值，經過OP37放大，與數/模轉換輸出的控制電壓Vc進行比較，通過比例-積分電路構成反饋電路輸出調整電壓，控制調整管的導通程度來調整主回路電流，實現穩定的恒流輸出。

1．3 人機接口

系統用按鍵控制電路，可直接設置溫控目標溫度;LCD實時顯示設定溫度和實測LD溫度，實現人機交互的功能。上位機可通過RS232串口與溫控系統通信，實現溫控的智能和遠程控制。

2 程序設計

主程序流程圖如圖4所示，系統采用模塊化的結構，將整個系統劃分為相互獨立的模塊，因此明確每個模塊的工作，只要設計好與其它模塊的接口，就不會受到其它模塊的干擾，便于設計復雜的程序。

Fig.4 Program flow chart

主要包括系統初始化、中斷服務程序、串口通信程序、按鍵掃描程序、液晶顯示刷新程序、數據處理程序、PID算法實現等。數據處理程序主要是包括對采樣值進行數字濾波、平均、計算，得到準確溫度值，經過分段積分的PID算法處理，輸出控制量。

2．1 PID 算法

PID算法因其算法簡單、可靠性高，而廣泛應用于工業過程控制和溫度控制中。離散的PID表達式如下:

式中，e(k)為第k次采樣的偏差值，e(k-1)為第k-1次的采樣偏差值，Kp為比例系數，Ki為積分系數，Kd為微分系數。

在大功率LD溫控系統中，由于LD制熱量較大，為防止出現溫度失調的情況，此系統選擇改進的分段積分的PID算法［9］。即對于不同的溫度區間，采取不同的積分值，實現不同的調整速度，達到安全、快速穩定的目的。具體分段情況如下式:

式中，u(k)max為最大調節量，i1和i2為兩個具體的積分系數值，e0和e1為溫度偏差值。

在實際控制中，e0和e1是與目標溫度的差值，分別取1和0．5;u(k)max由硬件電路確定。在自動調節過程中，PID積分項可能會累積較大的調節量，影響溫控速度，所以程序在每次溫控開始前對積分量清零。

2．2 PID參量調節

作者選擇4∶1衰減法對PID參量進行整定，其基本原理是先把積分時間放到最大，微分時間放到0。待調節系統穩定后，逐步減小比例度，觀察輸出電壓(電流)和調節過程的波動情況，直到出現4∶1衰減過程為止。記錄4∶1衰減比例度和操作周期，根據經驗公式，求得調節器各個參量的具體數值［10-11］。再結合實驗進行微調，得到較理想控制效果，實驗參量為:Kp=4500，i1=0．4，i2=1，Kd=500。

3 實驗結果

在5℃ ～26℃的環境下對該溫控系統進行長時間測試，系統穩定工作。LD開啟關閉全過程的溫控動態曲線如圖5所示。

由圖5可知，LD啟動時電流是一個緩慢上升的過程，關閉時緩慢下降;額定工作電流7.5A，此時出光功率為50W，發熱功率約為45W，溫度穩定于25℃。開啟時溫度在LD達到額定工作狀態后迅速穩定下來，TEC在LD關閉后停止制冷，溫度緩慢降至室溫。LD開關全過程中，溫度在室溫與目標溫度間正常波動。解決了開關機時溫度失調的問題。

改變設定溫度值時，系統溫控情況如圖6所示。

Fig.5 Overall process of temperature control

Fig.6 Different temperature control

圖6a中的設定溫度值為17℃，圖6b中的設定溫度值為40℃。實驗結果表明，系統溫控范圍達到15℃ ～45℃。系統長時間穩定工作時的溫度穩態曲線如圖7所示。

Fig.7 Stable temperature control

溫控系統進行了6h以上的測試，結果表明，LD溫度長時間穩定在±0.02℃的范圍內，滿足設計要求。

當LD電流發生變化，即改變LD發熱功率時，實測溫度曲線如圖8所示。

測試結果表明，系統具有良好的自調節能力，在發熱功率發生變化時，迅速調整TEC制冷功率，可在2min內恢復穩態。該溫控系統在發熱功率為1W～60W的范圍內，實現±0.02℃的溫控。

Fig.8 Temperature control with the change of different current

4 結論

系統采用DSP F28335作為控制核心，配合高精度的測溫電路，采用分段積分的PID控制算法，使用大電流恒流源電路驅動TEC，實現了對大功率LD的高精度智能溫控。DSP豐富的外設端口及串口通信功能，使該溫控系統具有良好的擴展性和兼容性。該溫控系統為額定功率60W以下的LD，提供了一種高精度的溫控方案，可應用于LD抽運的固態激光器等工業場景。

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