一款大功率半導體激光控制器的設計方案

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，可以提高電子系統的精度，一般需要將溫度控制在0. 1℃內，激光器的工作精度才能很好地保持在0. 1nm內。本文的設計方案能為大功率半導體激光器提供有效支持，最大電流可達2. 5A.

1半導體激光控制器的設計

激光控制器由受控恒流源，溫度監視及控制電路，主控制器及顯示器構成。整體結構原理見(jiàn)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定的激光，對流過(guò)激光器的電流要求非常嚴格，供電電路必須是低噪聲的穩定的恒流源。恒流源可以從0A~2. 5A之間連續可調，以適應不同規格的半導體激光器。該恒流源是以大功率的MOS管為核心，激光器作為負載與之串聯(lián)，通過(guò)控制MOS管的柵極，來(lái)實(shí)現對激光器電流的控制。但MOS管是非線(xiàn)性器件，難以直接控制，因此必須將其轉化為線(xiàn)性控制。

如圖2所示，在MOS管串聯(lián)一個(gè)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 電子設計圖

三菱FX系列PLC -三菱PLC編程手冊（FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC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(xiàn)性的對應關(guān)系。但由于整個(gè)反饋是開(kāi)環(huán)系統，十分容易產(chǎn)生自激，因此在采樣電阻連一個(gè)1μF的電容，破壞自激產(chǎn)生條件、消除自激，并且應采用穩定的電源以減小電壓波動(dòng)。

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(cháng)將增加大約0. 1nm ，而且溫度過(guò)高將導致激光器老化甚至損壞。

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

包括：自啟動(dòng)和過(guò)流保護、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定是將把元件封閉在固定溫度的恒溫槽內。為了提供某種調整容限，其所選溫度應高于所有條件下的環(huán)境溫度。這種方法曾被廣泛采用，特別是用在超穩時(shí)鐘的設計中（如恒溫槽控制的晶振）。但高溫應用此方法有如下缺點(diǎn)：性能（如噪聲因數，速度和壽命）有所降低；環(huán)境溫度處于中間范圍時(shí)調整器消耗加熱的功率，在環(huán)境溫度處于低端時(shí)需要兩倍大的功率；達到穩定溫度所需的時(shí)間可能相當長(cháng)。

目前采用半導體TEC來(lái)實(shí)現，因為它可選擇調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（如冰箱和大功率處理器冷卻）只用TEC的冷卻特性。另一些應用（如晶振和SAW濾波器）利用熱流的兩個(gè)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(méi)有死區。TEC的驅動(dòng)電路通常采用“H”橋式，由兩個(gè)互補的達林頓管或MOS管構成。

對H橋的驅動(dòng)宜采用開(kāi)關(guān)式驅動(dòng)方式，開(kāi)關(guān)式驅動(dòng)方式功耗小、效率高。對于開(kāi)關(guān)式驅動(dòng)方式可以使用LTC1923等專(zhuān)用芯片驅動(dòng)。其原理如圖3所示。


圖3 TEC 電源驅動(dòng)電路

DRV592是TI（Texas Instruments）公司出品的高效、大功率H橋電源驅動(dòng)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），內置過(guò)流、欠壓和過(guò)熱（130℃）保護和電平指示。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)用溫度范圍標準。值得一提的是該芯片集成了4個(gè)大功率MOSFET和過(guò)載保護電路，與采用分立元件設計（見(jiàn)圖3）相比，簡(jiǎn)化80 %的設計。并且只需添加幾個(gè)外部元件就能容易地構成精確的溫度控制環(huán)路用以穩定激光二極管系統?；贒RV592的半導體TEC的電源驅動(dòng)電路見(jiàn)圖4.和圖3相比，可以看到基于DRV592的TEC電源驅動(dòng)電路設計大大簡(jiǎn)化，并且DRV592還有內置過(guò)流、欠壓和過(guò)熱（130°C）保護電平指示。引腳功能見(jiàn)表1.


圖4 典型TEC電源驅動(dòng)



由于大電流開(kāi)關(guān)電路會(huì )產(chǎn)生很大的噪聲干擾，為減少干擾，可適當增大開(kāi)關(guān)管的轉換時(shí)間來(lái)降低高頻開(kāi)關(guān)噪聲。雖然這會(huì )使開(kāi)關(guān)效率降低一些，不過(guò)用這個(gè)代價(jià)換來(lái)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(huì )有一定的延遲，會(huì )給系統引起振蕩。為了消除振蕩，可在放大器兩端并聯(lián)積分電路，增加延時(shí)，消除振蕩產(chǎn)生。要注意的是穩定的溫度是由熱敏電阻的反饋來(lái)決定的，因此要將TEC與熱敏電阻封裝在一個(gè)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(lèi)似，采用NTC（負溫度系數）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（經(jīng)適當老化）具有0. 05℃穩定度。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(diǎn)，適用于手持移動(dòng)設備。在1kHz的噪音僅為19nV ，是同類(lèi)產(chǎn)品的1/ 4.

1. 3主控制及顯示部分

該控制器是以AT89C51單片機為核心構成的，它直接控制激光器的驅動(dòng)電流、溫度，并且能夠將系統當前溫度、電流大小，預設電流和預設溫度直觀(guān)準確的反映出來(lái)，而且對儀器操作也更加方便，精確。

整個(gè)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(xiàn)性關(guān)系，大致為e指數形式，因此在高溫部分，對溫度的分辨力會(huì )降低，所以A/ D轉換器應在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(guò)查表的方法來(lái)實(shí)現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，留下的負電壓經(jīng)平滑處理后得到- 5V電壓。

2總結

近年來(lái)，隨著(zhù)光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，激光器已廣泛應用于醫療、國防、測量等各個(gè)領(lǐng)域。本方案設計的激光控制器具有適應性強，輸出電流范圍大，溫度控制精度高，操作簡(jiǎn)單直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較可行的激光控制器方案。