半导体激光器温度控制电路设计作者：霍佳皓李洪祚来源：《现代电子技术》2013年第20期摘要：在对激光器的温度控制理论作了深入研究的基础上，为了使激光器工作时温度恒定，设计了一种新型的温度控制电路，电路中采用了ADN8831作为的核心器件，结合PWM 控制方案，完成了包括输入级、补偿环节、输出级、滤波电路和保护及检测电路的硬件电路设计。
经过实际连接激光器实验，温度控制精度可达0.01 ℃。
电路具有体积小、效率高、可靠性高、驱动能力强等特点，可以为激光器提供恒定的温度控制。
关键词：温度控制；半导体激光器； TEC； PID中图分类号： TN722⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）20⁃0153⁃030 引言通过对半导体激光器特性的研究，可知温度对激光器的正常工作有着重要的影响。
温度会直接影响到半导体激光器的工作参数包括[1]：阈值电流、V⁃I关系、输出波长、P⁃I关系等。
同时高温也会对激光器产生极大的影响，严重影响其使用寿命和效率。
本文采用ADN8831温度控制芯片[3]为激光器提供恒定且可调的工作温度来保证激光器高效率工作。
1 温度控制芯片介绍根据半导体激光器对温度的要求，选定ADN8831作为激光器的温度控制主芯片。
ADN8831芯片是目前最优秀的单芯片高集成度、高输出效率和高性能的TEC驱动模块之一。
ADN8831的最大温漂电压低于250 mV，能够使设定温度误差控制在±0.01 ℃左右。
在工作过程中，ADN8831输入端的电压值对应一个设定好的目标温度。
适当大小的电流流过TEC，使TEC加热或制冷，在这个过程中使激光器表面温度向设定温度值靠近[2]。
此芯片还有过流保护功能，可编程开关频率最高可达1 MHz。
2 TEC控制原理TEC（Thermo Electric Cooler）实际上是用两种材料不同半导体（P型和N型）组成PN 结，当PN结中有直流电流通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中产生吸热或放热效应（帕尔帖效应[4]），就会使PN结表现出制冷或制热的效果，改变电流方向即可实现TEC加热或制冷，调节电流大小即可控制加热或制冷量的输出[5]。
利用TEC稳定激光器温度方法的系统框图[6]如图1所示。
图1中贴着激光器右侧的是温度传感器，这里使用具有负温度系数的热敏电阻。
这个热敏电阻是用来测量安放在TEC表面上的激光器的温度。
期望的激光器温度用一个固定的电压值来表示，与热敏电阻产生的电压值通过高精度运算放大器进行比较，比较后产生的误差电压通过高增益的放大器放大，同时补偿网络对因为激光器的冷热端引起的相位延迟进行补偿，补偿后驱动H桥输出，H桥不仅控制TEC电流的大小还能控制TEC电流的方向。
当激光器的温度值低于设定点温度值时，H桥会朝TEC一个方向按一定的幅值驱动电流，此时TEC处于加热状态；当激光器的温度值高于设定点温度值时，H桥会减少TEC的电流大小甚至会改变TEC 的电流方向，这时TEC就处于制冷状态。
当控制环路达到平衡时，TEC的电流的大小和方向就调整好了，激光器温度就会慢慢的向设定好温度靠近。
3 温控电路设计3.1 输入部分设计3.2 补偿电路设计PID（Proportion Integrator Differentiator）比例积分微分调节补偿网络是TEC温控电路中最关键的部分，它决定了TEC控制器的响应速度和温度稳定性。
PID相当于放大倍数可调的放大器，用比例运算和积分运算来提高调节精度，用微分运算加速过渡过程，较好地解决了调节速度与精度的矛盾。
PID的数学模型可用式（4）表示：式中：KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
在进行修正时，一般采用调节补偿电路参数的方法来使TEC控制系统的响应时间和精度变得更优[9]。
在电路设计时，把前级误差运放的输出连接到温度补偿电路的输入管脚上，这样就完成了温度补偿电路的设计，具体电路连接图如图4所示。
由于本文中测温目标为激光器，根据设计要求和计算，系统的参数通常这样选取[10]：R5=100 kΩ，RH=1 MΩ，RF=200 kΩ，C1=1 μF，C2=10 μF和一个330 pF的反馈电容。
3.3 输出部分设计ADN8831是一个差分输出方式的TEC控制器。
搭建一个外围H桥电路产生适当的电流来驱动TEC，使其对半导体激光器加热或制冷。
如图5所示。
图中的P1，P2，N1，N2，OUTA，OUTB分别连到ADN8831的P1，P2，N1，N2，OUTA，OUTB引脚上。
TEC控制器设在H桥中间，构成一个不对称桥。
ADN8831对H桥的左支采用开关方式驱动，右支采用线性方式驱动，即当开关管N1导通、开关管P1关闭、P2常通、N2常闭时，电流从TEC的OUTB端经TEC流向OUTA端，此为制冷状态；当开关管N1关闭、开关管P1导通、P2常闭、N2常通时，电流从TEC的OUTA端经TEC流向OUTB 端，此为致热状态。
这种灵活又方便的外接H桥，能更好的提高电源效率，减小纹波电流，增加了散热路径。
用非对称H桥驱动TEC，其中器件的选择要考虑两个因素：（1）TEC工作的最大电流是多少；（2）导通电阻最小可以是多少（考虑功率耗散问题）。
本文采用的是FAIRCHILD SEMICONDUCTOR公司的FDW2520C芯片。
该芯片由一对PMOS和NMOS管构成，其中PMOS管能够提供的最大电流为4.4 A，导通电阻为35 mΩ；NMOS管能够提供的最大电流为6 A，导通电阻[2]为18 mΩ。
3.4 滤波电路为了使ADN8831有效地驱动TEC，其电压必须稳定，上述的外围H桥电路产生的是0～VCC的脉冲宽度调制方波。
所以，这时候就需要设计一个滤波电路来实现驱动的目的。
设计采用R⁃L⁃C低通滤波网络，其等效电路如图6所示。
图6中，RL表示TEC电阻，R1是C1的等效串联电阻，R2等于L1的寄生电阻加上Q1或Q2的导通电阻，并且R1和R2要远远小于RL，VX是在PVDD和PGND之间变化的脉冲宽度调制电压，这个电路构成了一个二阶的低通滤波网络[12]。
4 保护与检测电路ADN8831内部提供了相关保护电路，这样起到保护TEC防止激光器因过热而损坏。
因为有时候通过TEC的电流有可能大于额定工作电压，这样会烧坏TEC和半导体激光器，造成经济上的损失。
图7为保护与检测电路。
5 结语通过实验及分析得到，温度控制偏差为±0.01 ℃。
系统的恒温控制精度取决于温度采样值与温度设定值的特性，传感器本身的精度较高，其灵敏度取决于其本身特性。
若是想得到高稳定性的电压设定值，则需要使用高稳定性、高精度、低温漂的稳压源。
此外，系统电路也要使用低温漂、高稳定性的器件。
参考文献[1] 周杰.半导体激光器特性参数测试系统的设计与实现[D].武汉：武汉理工学，2010.[2] 齐兰.LC25W_A半导体激光器调制电路研究和实现[D].长春：长春理工大学，2011.[3] 郑兴，蒋亚东，罗凤武，等.基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路设计[J].现代电子技术，2009，32（24）：154⁃156.[4] 黄岳巍，崔瑞祯，巩马理，等.基于TEC的大功率LD恒温控制系统的研究[J].红外与激光工程，2006，35（2）：143⁃147.[5] 林志琦，张洋，郎永辉，等.采用半导体激光器自身PN结特性测温的半导体激光器恒温控制[J].发光学报，2009，30（2）：223⁃225.[6] 李茜.半导体激光器温度控制系统的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2010.[7] 周真，齐忠亮，秦勇，等.小功率半导体激光器的驱动方法设计[J].红外与激光工程，2012，41（10）：2689⁃2693.[8] 李栋，李曼，耿宏伟，等.高性能半导体激光器温度控制单元的设计[J].航空精密制造技术，2012，48（4）：45⁃47.[9] 廖志烨，邓洪峰，吴凌华，等.基于半导体激光器高精度恒温系统设计[J].激光技术，2012，36（6）：771⁃775.[10] FENG Guang⁃zhi， GU Yuan⁃yuan， SHAN Xiao⁃nan， et al. 808 nm high power diode laser tack with polarization [J]. Chinese Journal of Luminescence， 2009， 29（4）：695⁃700 （in Chinese）.[11] ZHU Hong⁃bo， LIU Yun， HAO Ming⁃ming， et al. High efficiency module of fiber coupled diode laser [J]. Chinese Journal of Luminescence， 2011， 32（11）： 1147⁃1151 （in Chinese）.[12] 岳耀笠，曾鹏，周翔，等.一种高效率的新型激光器温度控制与功率驱动电源[J].广东通信技术，2010，30（4）：54⁃56.[13] GU Yuan⁃yuan， FENG Guang⁃zhi， Deng Xin⁃li， et al. 808 nm and 980 nm high power laser diode stack with wavelength [J]. Optics and Precision Engineering， 2009， 17（1）：8⁃13 （in Chinese）.。