一款大功率半導(dǎo)體激光控制器的設(shè)計方案

把關(guān)鍵元件（如高性能晶振、SAW濾波器、光放大器、激光二極管）的本機溫度限制在窄范圍內(nèi)，可以提高電子系統(tǒng)的精度，一般需要將溫度控制在0. 1℃內(nèi)，激光器的工作精度才能很好地保持在0. 1nm內(nèi)。本文的設(shè)計方案能為大功率半導(dǎo)體激光器提供有效支持，最大電流可達(dá)2. 5A.

1半導(dǎo)體激光控制器的設(shè)計

激光控制器由受控恒流源，溫度監(jiān)視及控制電路，主控制器及顯示器構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)原理見圖1.


圖1 激光控制器功能模塊圖

1. 1受控恒流源：

為了使激光器輸出穩(wěn)定的激光，對流過激光器的電流要求非常嚴(yán)格，供電電路必須是低噪聲的穩(wěn)定的恒流源。恒流源可以從0A~2. 5A之間連續(xù)可調(diào)，以適應(yīng)不同規(guī)格的半導(dǎo)體激光器。該恒流源是以大功率的MOS管為核心，激光器作為負(fù)載與之串聯(lián)，通過控制MOS管的柵極，來實現(xiàn)對激光器電流的控制。但MOS管是非線性器件，難以直接控制，因此必須將其轉(zhuǎn)化為線性控制。

如圖2所示，在MOS管串聯(lián)一個0. 1Ω的電阻，用于采樣反饋，MOS管的電流變化范圍是0A~2.


圖2 電子設(shè)計圖

三菱FX系列PLC -三菱PLC編程手冊（FX1S，F(xiàn)X1N，F(xiàn)X2N，F(xiàn)X2NC系列）5A ，輸入控制信號的電壓范圍是0V~5V ，將采樣電阻的電壓放大20倍正好與輸入電壓匹配。這樣控制電壓0V~5V與電流0A~2. 5A之間建立起線性的對應(yīng)關(guān)系。但由于整個反饋是開環(huán)系統(tǒng)，十分容易產(chǎn)生自激，因此在采樣電阻連一個1μF的電容，破壞自激產(chǎn)生條件、消除自激，并且應(yīng)采用穩(wěn)定的電源以減小電壓波動。

1. 2溫度檢測及控制電路

由于溫度對激光的品質(zhì)有很大影響，在電流恒定的情況下，溫度每升高1℃，激光波長將增加大約0. 1nm ，而且溫度過高將導(dǎo)致激光器老化甚至損壞。

并且激光器是一個電靈敏度高、成本昂貴的器件，因此控制器必須提供監(jiān)控、限制和過載保護(hù)的能力。

包括：自啟動和過流保護(hù)、熱電制冷器（thermoeleCTRiCCooler ，TEC）電壓、電流和溫度的感測。異常工作電路停機以避免激光器元件損壞。值得注意的是：環(huán)境溫度的變化對激光器的影響，要求控制器具備制冷和制熱的能力。通常為使元件溫度保持穩(wěn)定是將把元件封閉在固定溫度的恒溫槽內(nèi)。為了提供某種調(diào)整容限，其所選溫度應(yīng)高于所有條件下的環(huán)境溫度。這種方法曾被廣泛采用，特別是用在超穩(wěn)時鐘的設(shè)計中（如恒溫槽控制的晶振）。但高溫應(yīng)用此方法有如下缺點：性能（如噪聲因數(shù)，速度和壽命）有所降低；環(huán)境溫度處于中間范圍時調(diào)整器消耗加熱的功率，在環(huán)境溫度處于低端時需要兩倍大的功率；達(dá)到穩(wěn)定溫度所需的時間可能相當(dāng)長。

目前采用半導(dǎo)體TEC來實現(xiàn)，因為它可選擇調(diào)整溫度值處在工作溫度范圍的中間。TEC可做為熱泵或做為熱源，這取決于電流方向。某些系統(tǒng)（如冰箱和大功率處理器冷卻）只用TEC的冷卻特性。另一些應(yīng)用（如晶振和SAW濾波器）利用熱流的兩個模式。并且該控制器是真正雙向的，使溫度從冷端到熱端之間沒有死區(qū)。TEC的驅(qū)動電路通常采用“H”橋式，由兩個互補的達(dá)林頓管或MOS管構(gòu)成。

對H橋的驅(qū)動宜采用開關(guān)式驅(qū)動方式，開關(guān)式驅(qū)動方式功耗小、效率高。對于開關(guān)式驅(qū)動方式可以使用LTC1923等專用芯片驅(qū)動。其原理如圖3所示。


圖3 TEC 電源驅(qū)動電路

DRV592是TI（Texas Instruments）公司出品的高效、大功率H橋電源驅(qū)動集成塊，輸出電壓范圍從2. 8 V到5. 5 V ，最大輸出電流為3A.DRV592需要外部PWM觸發(fā)（兼容TTL邏輯電平），內(nèi)置過流、欠壓和過熱（130℃）保護(hù)和電平指示。業(yè)界最小封裝（9mm×9 mm 32腳PowerPADTM扁平封裝模式），具有- 40℃到85℃工業(yè)用溫度范圍標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是該芯片集成了4個大功率MOSFET和過載保護(hù)電路，與采用分立元件設(shè)計（見圖3）相比，簡化80 %的設(shè)計。并且只需添加幾個外部元件就能容易地構(gòu)成精確的溫度控制環(huán)路用以穩(wěn)定激光二極管系統(tǒng)?；贒RV592的半導(dǎo)體TEC的電源驅(qū)動電路見圖4.和圖3相比，可以看到基于DRV592的TEC電源驅(qū)動電路設(shè)計大大簡化，并且DRV592還有內(nèi)置過流、欠壓和過熱（130°C）保護(hù)電平指示。引腳功能見表1.


圖4 典型TEC電源驅(qū)動



由于大電流開關(guān)電路會產(chǎn)生很大的噪聲干擾，為減少干擾，可適當(dāng)增大開關(guān)管的轉(zhuǎn)換時間來降低高頻開關(guān)噪聲。雖然這會使開關(guān)效率降低一些，不過用這個代價換來噪聲的大幅度改善還是值得的。

另外由于TEC具有熱慣性，改變狀態(tài)會有一定的延遲，會給系統(tǒng)引起振蕩。為了消除振蕩，可在放大器兩端并聯(lián)積分電路，增加延時，消除振蕩產(chǎn)生。要注意的是穩(wěn)定的溫度是由熱敏電阻的反饋來決定的，因此要將TEC與熱敏電阻封裝在一個模塊中，使它們緊密耦合。

溫度探測器的精度直接影響溫度控制的效果。

溫度探測電路部分與恒流源類似，采用NTC（負(fù)溫度系數(shù)）的熱敏電阻作為溫度探測器。其中用陶瓷粉工藝制作的NTC元件對溫度的微小變化有最大的電阻變化。特別是某些陶瓷NTC在其壽命內(nèi)（經(jīng)適當(dāng)老化）具有0. 05℃穩(wěn)定度。并且與其它溫度傳感相比，陶瓷NTC的尺寸特別小。然后將熱敏電阻串聯(lián)入一恒流源，對熱敏電阻兩端電壓采樣，將溫度變換為電信號。原理如圖5所示。


圖5 溫度檢測電路

溫度探測電路中采用的是TI公司出品的CMOS單電源，低功耗雙運算放大器TLC2252 .TLC225x系列具有高輸入阻抗、微功耗、低噪音等優(yōu)點，適用于手持移動設(shè)備。在1kHz的噪音僅為19nV ，是同類產(chǎn)品的1/ 4.

1. 3主控制及顯示部分

該控制器是以AT89C51單片機為核心構(gòu)成的，它直接控制激光器的驅(qū)動電流、溫度，并且能夠?qū)⑾到y(tǒng)當(dāng)前溫度、電流大小，預(yù)設(shè)電流和預(yù)設(shè)溫度直觀準(zhǔn)確的反映出來，而且對儀器操作也更加方便，精確。

整個單片機控制部分流程如圖6所示，程序流程圖如圖7所示。


圖7 程序流程圖

恒流源的控制電壓為0V~5V ，如輸入端由8位D/A控制，分辨度為2. 5A×1/ 2e8 = 0. 01A ，若采用12位D/ A ，則可精確到毫安級。熱敏電阻阻值與溫度呈非線性關(guān)系，大致為e指數(shù)形式，因此在高溫部分，對溫度的分辨力會降低，所以A/ D轉(zhuǎn)換器應(yīng)在12位以上才能有較好的效果。并且在單片機的ROM中組織一張熱敏電阻溫度與電壓關(guān)系表，通過查表的方法來實現(xiàn)對熱敏電阻采樣后進(jìn)行溫度換算和對H橋溫度控制。

此外，像D/ A ，A/ D這些器件有些需要使用- 5V電壓作參考?？梢杂?55芯片作方波脈沖發(fā)生器，濾掉其直流成分，在用二極管將正向電壓短路，留下的負(fù)電壓經(jīng)平滑處理后得到- 5V電壓。

2總結(jié)

近年來，隨著光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，激光器已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、國防、測量等各個領(lǐng)域。本方案設(shè)計的激光控制器具有適應(yīng)性強，輸出電流范圍大，溫度控制精度高，操作簡單直觀等優(yōu)點，是一種比較可行的激光控制器方案。