半導體激光器溫度控制電路設計

摘 要： 在對激光器的溫度控制理論作了深入研究的基礎上，為了使激光器工作時溫度恒定，設計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，結合PWM控制方案，完成了包括輸入級、補償環節、輸出級、濾波電路和保護及檢測電路的硬件電路設計。經過實際連接激光器實驗，溫度控制精度可達0.01 ℃。電路具有體積小、效率高、可靠性高、驅動能力強等特點，可以為激光器提供恒定的溫度控制。

關鍵詞： 溫度控制； 半導體激光器； TEC； PID

中圖分類號： TN722?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）20?0153?03

0 引 言

通過對半導體激光器特性的研究，可知溫度對激光器的正常工作有著重要的影響。溫度會直接影響到半導體激光器的工作參數包括[1]：閾值電流、V?I關系、輸出波長、P?I關系等。同時高溫也會對激光器產生極大的影響，嚴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

根據半導體激光器對溫度的要求，選定ADN8831作為激光器的溫度控制主芯片。ADN8831芯片是目前最優秀的單芯片高集成度、高輸出效率和高性能的TEC驅動模塊之一。ADN8831的最大溫漂電壓低于250 mV，能夠使設定溫度誤差控制在±0.01 ℃左右。在工作過程中，ADN8831輸入端的電壓值對應一個設定好的目標溫度。適當大小的電流流過TEC，使TEC加熱或制冷，在這個過程中使激光器表面溫度向設定溫度值靠近[2]。此芯片還有過流保護功能，可編程開關頻率最高可達1 MHz。

2 TEC控制原理

TEC（Thermo Electric Cooler）實際上是用兩種材料不同半導體（P型和N型）組成PN結，當PN結中有直流電流通過時，由于兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結移動過程中產生吸熱或放熱效應（帕爾帖效應[4]），就會使PN結表現出制冷或制熱的效果，改變電流方向即可實現TEC加熱或制冷，調節電流大小即可控制加熱或制冷量的輸出[5]。利用TEC穩定激光器溫度方法的系統框圖[6]如圖1所示。

圖1中貼著激光器右側的是溫度傳感器，這里使用具有負溫度系數的熱敏電阻。這個熱敏電阻是用來測量安放在TEC表面上的激光器的溫度。期望的激光器溫度用一個固定的電壓值來表示，與熱敏電阻產生的電壓值通過高精度運算放大器進行比較，比較后產生的誤差電壓通過高增益的放大器放大，同時補償網絡對因為激光器的冷熱端引起的相位延遲進行補償，補償后驅動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。當激光器的溫度值低于設定點溫度值時，H橋會朝TEC一個方向按一定的幅值驅動電流，此時TEC處于加熱狀態；當激光器的溫度值高于設定點溫度值時，H橋會減少TEC的電流大小甚至會改變TEC的電流方向，這時TEC就處于制冷狀態。當控制環路達到平衡時，TEC的電流的大小和方向就調整好了，激光器溫度就會慢慢的向設定好溫度靠近。

3 溫控電路設計

3.1 輸入部分設計

3.2 補償電路設計

PID（Proportion Integrator Differentiator）比例積分微分調節補償網絡是TEC溫控電路中最關鍵的部分，它決定了TEC控制器的響應速度和溫度穩定性。PID相當于放大倍數可調的放大器，用比例運算和積分運算來提高調節精度，用微分運算加速過渡過程，較好地解決了調節速度與精度的矛盾。PID的數學模型可用式（4）表示：

式中：KP為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

在進行修正時，一般采用調節補償電路參數的方法來使TEC控制系統的響應時間和精度變得更優[9]。在電路設計時，把前級誤差運放的輸出連接到溫度補償電路的輸入管腳上，這樣就完成了溫度補償電路的設計，具體電路連接圖如圖4所示。

由于本文中測溫目標為激光器，根據設計要求和計算，系統的參數通常這樣選取[10]：R5=100 kΩ，RH=1 MΩ，RF=200 kΩ，C1=1 μF，C2=10 μF和一個330 pF的反饋電容。

3.3 輸出部分設計

ADN8831是一個差分輸出方式的TEC控制器。搭建一個外圍H橋電路產生適當的電流來驅動TEC，使其對半導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控制器設在H橋中間，構成一個不對稱橋。ADN8831對H橋的左支采用開關方式驅動，右支采用線性方式驅動，即當開關管N1導通、開關管P1關閉、P2常通、N2常閉時，電流從TEC的OUTB端經TEC流向OUTA端，此為制冷狀態；當開關管N1關閉、開關管P1導通、P2常閉、N2常通時，電流從TEC的OUTA端經TEC流向OUTB端，此為致熱狀態。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。

用非對稱H橋驅動TEC，其中器件的選擇要考慮兩個因素：

（1）TEC工作的最大電流是多少；

（2）導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PMOS和NMOS管構成，其中PMOS管能夠提供的最大電流為4.4 A，導通電阻為35 mΩ；NMOS管能夠提供的最大電流為6 A，導通電阻[2]為18 mΩ。

3.4 濾波電路

為了使ADN8831有效地驅動TEC，其電壓必須穩定，上述的外圍H橋電路產生的是0～VCC的脈沖寬度調制方波。所以，這時候就需要設計一個濾波電路來實現驅動的目的。設計采用R?L?C低通濾波網絡，其等效電路如圖6所示。

圖6中，RL表示TEC電阻，R1是C1的等效串聯電阻，R2等于L1的寄生電阻加上Q1或Q2的導通電阻，并且R1和R2要遠遠小于RL，VX是在PVDD和PGND之間變化的脈沖寬度調制電壓，這個電路構成了一個二階的低通濾波網絡[12]。

4 保護與檢測電路

ADN8831內部提供了相關保護電路，這樣起到保護TEC防止激光器因過熱而損壞。因為有時候通過TEC的電流有可能大于額定工作電壓，這樣會燒壞TEC和半導體激光器，造成經濟上的損失。圖7為保護與檢測電路。

5 結 語

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

參考文獻

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