半導(dǎo)體激光控制器的設(shè)計(jì)

近年來(lái),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(guó)防、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。而環(huán)境溫度變化會(huì)直接影響激光器的波長(zhǎng)。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(jī)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(jì)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(jì)

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(jiàn)圖1。

1. 1 　受控恒流源：

為了使激光器輸出穩(wěn)定的激光,對(duì)流過(guò)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(guò)控制MOS 管的柵極,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(hào)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(duì)應(yīng)關(guān)系。但由于整個(gè)反饋是開(kāi)環(huán)系統(tǒng),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(yīng)采用穩(wěn)定的電源以減小電壓波動(dòng)。

1. 2 　溫度檢測(cè)及控制電路

由于溫度對(duì)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(zhǎng)將增加大約0. 1nm ,而且溫度過(guò)高將導(dǎo)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(jiān)控、限制和過(guò)載保護(hù)的能力 。

包括:自啟動(dòng)和過(guò)流保護(hù)、熱電制冷器(thermoelectriccooler ,TEC) 電壓、電流和溫度的感測(cè)。異常工作電路停機(jī)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(duì)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(shí)鐘的設(shè)計(jì)中(如恒溫槽控制的晶振) 。但高溫應(yīng)用此方法有如下缺點(diǎn) : 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(shí)調(diào)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(dá)到穩(wěn)定溫度所需的時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)。

目前采用半導(dǎo)體TEC 來(lái)實(shí)現(xiàn),因?yàn)樗蛇x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(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(qū)。TEC 的驅(qū)動(dòng)電路通常采用“H”橋式,由兩個(gè)互補(bǔ)的達(dá)林頓管或MOS 管構(gòu)成。

對(duì)H 橋的驅(qū)動(dòng)宜采用開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)方式,開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)方式功耗小、效率高。對(duì)于開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)方式可以使用LTC1923 等專用芯片驅(qū)動(dòng)。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(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(nèi)置過(guò)流、欠壓和過(guò)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(gè)大功率MOSFET 和過(guò)載保護(hù)電路,與采用分立元件設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3) 相比,簡(jiǎn)化80 %的設(shè)計(jì)。并且只需添加幾個(gè)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(dòng)電路見(jiàn)圖4。和圖3 相比,可以看到基于DRV592 的TEC 電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化,并且DRV592 還有內(nèi)置過(guò)流、欠壓和過(guò)熱(130°C) 保護(hù)電平指示。引腳功能見(jiàn)表1。

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(dāng)增大開(kāi)關(guān)管的轉(zhuǎn)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(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(shí),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(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(cè)器的精度直接影響溫度控制的效果。

溫度探測(cè)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(cè)器。其中用陶瓷粉工藝制作的NTC 元件對(duì)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(duì)熱敏電阻兩端電壓采樣,將溫度變換為電信號(hào)。原理如圖5 所示。

溫度探測(cè)電路中采用的是TI 公司出品的CMOS單電源,低功耗雙運(yùn)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(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(jī)為核心構(gòu)成的,它直接控制激光器的驅(qū)動(dòng)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(lái),而且對(duì)儀器操作也更加方便,精確。

整個(gè)單片機(jī)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(jí)。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(duì)溫度的分辨力會(huì)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(jī)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(xiàn)對(duì)熱敏電阻采樣后進(jìn)行溫度換算和對(duì)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。可以用555 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(jì)的激光控制器具有適應(yīng)性強(qiáng),輸出電流范圍大,溫度控制精度高,操作簡(jiǎn)單直觀等優(yōu)點(diǎn),是一種比較可行的激光控制器方案。