半導(dǎo)體激光控制器的設(shè)計

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。而環(huán)境溫度變化會直接影響激光器的波長。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) 。文中的設(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。

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.

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、限制和過載保護的能力 。

包括:自啟動和過流保護、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(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。

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)。基于DRV592 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) 保護電平指示。引腳功能見表1。

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。

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。

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)

作者設(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。