第１７卷第１２期２０１０年１２月电光与控制ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＯｐｔｉｃｓ＆ＣｏｎｔｒｏｌＶ０１．１７Ｎｏ．１２Ｄｅｅ．２０１０
ＤＰＳＳＬ激光器的高精度温控电路设计与实现曹海源，王会升，张广远，黎伟，田方涛（武汉军械士官学校光电技术研究所，武汉４３００７５）
摘要：针对温度变化对于ＤＰＳＳＬ激光器工作波长及稳定性的影响问题，提出了一种基于ＴＥＣ和专用控制芯片ＬＴＣｌ９２３的温控方案，设计了温控电路及其保护电路，实现了ＤＰＳＳＬ工作温度的精确控制。首先分析了ＤＰＳＳＬ温控指标需求和ＴＥＣ热电制冷原理，阐述了温控系统组成及原理；然后详细介绍了温控电路及其保护电路的设计，讨论了防电磁干扰措施及注意事项；最后针对某型ＤＰＳＳＬ激光器负载，测试了温控系统的稳态误差、超调量等指标；实验数据显示，该温控系统稳态误差小，控制精度达±０．０１ｏＣ，能保证ＤＰＳＳＬ高稳定性工作。关键词：ＤＰＳＳＬ；温度控制；高精度；ＰＷＭ中图分类号：Ｖ２７１．４；ＴＮ２４８文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—６３７Ｘ（２０１０）１２—００５７—０３
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＨｉｇｈ·Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｗａｖｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ
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ＤｉｏｄｅＰｕｍｐｅｄＳｏｌｉｄ—ＳｔａｔｅＬａｓｅｒ（ＤＰＳＳＬ），ａｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｃｈｅｍｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｗｈｉｃｈｗａｓ
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０引言小型化的半导体泵浦全固态激光器（ＤＰＳＳＬ）具有体积小、效率高、性能稳定、寿命长等优点，在军事、医学、工业等领域有广泛的用途。１。３ｏ。ＤＰＳＳＬ的调Ｑ器件具有高重复频率、高平均功率和高光一光转换效率等优点，十分适用于激光雷达、激光测距和光电对抗等领域的应用。４。。然而，在ＤＰＳＳＬ中，激光二极管（ＬＤ）收稿日期：２００９—１２—１７修回日期：２０１０—０２—０３基金资助：：国防重点实验室基金项目（１５５１４３８０６０４０４ＪＢ７２０１）作者简介：曹海源（１９７９一），男，湖北蕲春人，硕士，讲师，研究方向为武器系统性能检测与故障诊断。泵浦源和调Ｑ器件的工作温度对激光器输出功率和中心波长有很大的影响∞一。当温度失调时会产生高阶横模，导致输出功率下降，同时，激光二极管温度的升高会导致其输出波长向长波方向偏移，偏移率为０．２７ｎｍ／。Ｃ。６。。这种偏移致使ＬＤ的发射谱和激光介质的吸收谱重叠程度发生变化，从而引起激光器输出特性的波动。可见，为使激光器高稳定性工作，必须对其工作温度进行严格控制。本文采用半导体热电制冷器（ＴＥＣ）和控制芯片ＬＴＣｌ９２３，为小型化ＤＰＳＳＬ设计了高精度的温控系统，能在较宽的环境温度范围内有效控制ＤＰＳＳＬ的内部温度，保证了激光功率和输出波长的稳定性，提高了激光器的工作寿命。
ＴＥＣ及温控方案设计万方数据５８电光与控制第１７卷
本文的ＤＰＳＳＬ激光器在稳定工作时泵浦电流，＝７５Ａ，脉宽职＝２４０ｉｘｓ，频率厂＝３０Ｈｚ，ＬＤｂａｒ条上的压降Ｕ＝３１．８Ｖ，泵浦效率叼一４５％。由此可算出ＤＰＳＳＬ稳定工作时自身的最大发热功率为Ｗ＝Ｕ：｜＝，：｜＝厂：ｌ：％（１一叼）一９．４４Ｗ（１）由于ＤＰＳＳＬ在实际工作时还会受到环境温度的影响，因此在考虑温控系统的制热、制冷功率时必须留有足够大的余量。按照热电制冷器的图形化选择方法。７“。，本文选用ＴＥＣｌ旬７１０５作为制热、制冷工作部件，其额定电压为８．５Ｖ，最大电流为４．６Ａ，最大热功率达２２．８ｗ。实验测试证明，在温控电路的驱动下，其输出功率可满足本系统的ＤＰＳＳＬ在一２０℃～５０。Ｃ的环境温度范围内稳定工作的要求。ＴＥＣ是一种利用帕耳贴（Ｐｅｌｔｉｅｒ）效应工作的半导体热泵，非常适用于空间有限和高可靠性的场合。其工作时冷端产冷量Ｑ。，热端放热量Ｑ。分别为一。Ｑ。＝“￡一（，Ｒ）／２一Ｋ（咒一ｔ）（２）Ｑ。＝“瓦＋（ｒＲ）／２一Ｋ（瓦一￡）（３）式中：ＯＬ为ＴＥＣ的塞贝克系数；Ｋ为ＴＥＣ冷热端之间的总热导；Ｒ为ＴＥＣ的总电阻；Ｔ，已分别为ＴＥＣ冷端温度、热端温度；，为ＴＥＣ工作电流。由上式可见，调节ＴＥＣ的电流大小可以控制其产冷量和放热量；改变电流方向可使冷端、热端互换。ＴＥＣ的工作电压与电流之间的关系是：Ｕ＝／Ｒ＋“（瓦一ｔ）（４）由式（４）可知ＴＥＣ可等效为一个非线形电阻负载，可通过控制电压的方式来控制ＴＥＣ中的电流大小。ＴＥＣ的控制模式包括线性模式和脉冲宽度调制（ＰＷＭ）模式。与线性模式相比，在ＰＷＭ模式下，功率管工作在开关状态，具有可靠性高、热功耗小及电源效率高等优点。因此，本文采用ＰＷＭ控制模式。在ＰＷＭ模式下，过去一般采用软件ＰＩＤ算法或是用分立元件组建ＰＩＤ电路。软件算法的控制实时陛不高，分立的ＰＩＤ电路难于调试，且占用体积大，容易引入噪声从而影响温控精度。１…。ＤＰＳＳＬ内部采用的激光工作物质、晶体等组件价格昂贵，若温控电路工作不稳定，将发生ＴＥＣ过压、过流，导致激光器失调、毁坏贵重组件。因此本文摒弃了传统的设计思路，采用集成了控制与保护功能的专用芯片来实现ＴＥＣ驱动电路的控制，以达到稳定、精确控制温度的目标。整体温控方案设计如图１所示。ＤＰＳＳＬ激光器温控系统由温控电路单元、电热制冷器、ＬＤ热沉、导热机构等部分组成。温控电路单元产生控制信号，由功率驱动电路进行功率放大后驱动电热制冷器工作。电热制冷器的冷端通过导热硅脂与ＬＤ热沉紧密联结，热沉与ＬＤｂａｒ条联结在一起，以更好地与ＬＤｂａｒ条及谐振腔内进行热传导。采用Ｐｔ一１００铂热敏电阻固定在热沉的适当位置作为温度传感器，对激光器内部温度进行实时采样，将采样数据和设定温度进行比对、运算，通过改变控制信号的脉宽和时序来实现电热制冷器工作状态的自动调节。电热制冷器的热端通过导热硅胶与导热、散热机构紧密接触，完成与环境温度的热交换。由此可见，温控电路单元、电热制冷器、ＬＤ热沉、温度采样电阻等构成了一个闭环反馈系统，以实现对激光器内部温度的稳定控制。
厂］Ｉ匕冷Ｕ激光束
图１ＤＰＳＳＬ激光器温控系统组成框图Ｆｉｇ．１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＤＰＳＳＬｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
２温控电路设计
温控电路采用专用开关模式温控芯片ＬＴＣｌ９２３，它采用固定频率、电压模式结构来对温度进行控制，适用于光纤通信、医疗器械、ＣＰＵ温度调节等领域。与一般采用ＰＩＤ算法的实现方式比较，由ＬＴＣｌ９２３芯片设计ＴＥＣ控制器具有体积小、功耗低、控制精度高、输出效率高等优点。１“。２．１电路原理分析温控电路如图２所示。
图２温控电路原理示意图Ｆｉｇ．２Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ万方数据第１２期曹海源等：ＤＰＳＳＬ激光器的高精度温控电路设计与实现５９基于ＬＴＣｌ９２３的温控电路是一个采用负反馈的闭环控制系统。温度的设定由１４位ＤＡ完成，参考电压由芯片本身的％。，（２．５０Ｖ）提供。前端温度采集是由高精度、高热稳定性的精密电阻与ＤＰＳＳＬ内部的热敏电阻构成。比较放大器由两级构成，第１级采用零漂移的仪器放大器ＬＴＣ２０５３，第２级是ＬＴＣｌ９２３内置的误差放大器ＥＡ，在其反相输入ＦＢ和输出端ＥＡＯＵＴ之间接一个ＲＣ网络，可以对回路的控制速度和稳定性进行补偿。误差放大器的输出与ＬＴＣｌ９２３内部振荡器产生的三角波的大小关系控制着ＰＷＭ比较器输出的占空比。误差放大器的输出同时被ＴＥＣ电压钳位电路控制，实现对逐个脉冲限流的功能。功率驱动电路的４路互补输出驱动一个全桥开关电路，为ＴＥＣ提供双向电流。全桥电路选用互补Ｎ／Ｐ沟道ＭＯＳ场效应管Ｓｉ９８０１，它提供了导通电阻和门极电容之间较好的折中，有利于减少开关损耗和导通损耗。输出电压值的波动是输出电感、电容和工作频率的函数，因此，为进一步改进电路功效，Ｈ桥的两侧用Ｌｃ网络滤掉转换频率扰动。实验表明，１０¨Ｈ、２２妒的Ｌｃ滤波网络和２２０ｋＨｚ的工作频率就可以保证通过ＴＥＣ的最大电压波动低于±１％。开关频率由ＬＴＣｌ９２３内部晶振和Ｃ，，Ｒ，共同决定，Ｒ，还决定了三角波振荡器的充、放电电流以及两组输出之间的死区时间。ＳＤＳＹＮＣ接地将禁用所有内部电路，为ＴＥＣ提供保护。调节参数让芯片工作在较高的开关频率下，可以使用更小的电感和电容，从而减少ＰＣＢ板的面积。此外，为了抑制开关频率引入的高频噪声，ＬＴＣｌ９２３提供了一个Ｒ乩。ｗ引脚，在它与地之间接一个电阻可以限制输出驱动级的压摆率，改善电路性能。２．２保护功能设计该电路具有正常工作指示和功能失效指示功能。当热敏电阻检测到的温度低于设定温度（本系统实际工作时设定温度为５０℃）时，ＬＴＣｌ９２３的Ｈ／Ｃ端输出高电平，表示电路正在加热；当热敏电阻检测到的温度高于设定温度时，Ｈ／Ｃ端输出高电平，表示电路正在制冷。在电路中采用双色ＬＥＤ来指示Ｈ／Ｃ状态。ＬＴＣｌ９２３内部有２个专用比较器用于监测热敏电阻上的电压，若热敏电阻的电压高于（Ｋ。一０．３５Ｖ）或低于０．２蚝ｍ则认为其开路或短路，此时，ＦＡＵＬＴ端输出高电平，表示电路工作异常。实验测试是在室温下进行的，温控电路启动后，在５０ｓ内温度可以达到稳定。系统提供的一系列的保护、监测功能还有：１）监测电流取样电阻Ｒ。两端电压，若所得电压大于以下３个电压中的任何一个，ＬＴＣｌ９２３关断所有外部ＭＯＳ—ＦＥＴ：ＳＳ引脚上电压的１．５倍；厶。。引脚上电压的１．５倍；１．５Ｖ。２）ＳＳ端与地之间接一个电容可实现软启动，以遏制电路启动时的浪涌电流。