基于MAX1968的LD自動溫度控制系統(tǒng)設計

引言

LD(激光二極管)由于其波長范圍寬、制作簡單、成本低、易于大量生產，而且體積小、重量輕、壽命長，因而品種發(fā)展快，目前已超過300種，應用范圍覆蓋了整個光電子學領域，成為當今光電子科學的核心技術，廣泛應用于激光測距、激光雷達、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等領域，并形成了廣闊的市場。

LD缺點是輸出特性受溫度影響很大，見圖1。

隨著溫度的升高，需要有更多的載流子注入來維持所需的粒子數(shù)反轉，LD的閾值電流升高，這會導致LD的能量轉化效率降低，將電能轉換為熱能，發(fā)射波長也隨著溫度的變化發(fā)生漂移。如果LD不能快速有效地制冷，則不儀會影響其輸出特性，甚至會損壞LD。

為了保證LD有較長的工作壽命，必須采取ATC(自動溫度控制)措施，通過控制LD管芯溫度來維持LD正常工作的溫度。

一般ATC是采用半導體TEC(熱電制冷器)。TEC是一種沒有運動部分的小型熱泵，常被運用于空間有限和高可靠性的場合。TEC的功能實現(xiàn)取決于供電電流的方向，通過改變電流方向實現(xiàn)制熱或者制冷。本文介紹的芯片MAX1968，是用來控制TEC實現(xiàn)LD的ATC。

1 LD熱電溫度控制原理

LD溫度控制的基本原理是：溫度傳感器實時地測量安放在TEC冷端的激光管溫度，期望的工作溫度由設定點的電壓來表示，它與溫度傳感器產生的表示LD實際溫度的電壓通過運放進行比較，產生一個偏差電壓，此信號經過相應的硬件和控制算法處理后，輸出一定的電壓經過驅動電路送給TEC模塊，TEC根據(jù)流過電流的方向，對LD進行制冷或加熱，使得LD穩(wěn)定在所要求的溫度值。LD的溫度控制系統(tǒng)必須滿足精度高，響應速度快、穩(wěn)定性好的要求，而且要能實現(xiàn)雙向控制，以適應外界溫度變化和LD本身工作條件的不確定性。同時，還要考慮到LD的保護問題。

TEC控制器按輸出的工作模式可分成線性模式和開關模式。傳統(tǒng)LD的熱電溫度控制大多采用線性模式的TEC控制器，一個簡單的線性驅動TEC電路由兩個推挽功率三極管構成，雖然具有電流紋波小且容易設計和制造的優(yōu)點，但功率效率低、控制精度不高，電路集成度較低，而且存在溫度控制“死區(qū)”問題。

本文介紹的MAX1968是高度集成、高性價比、高效率的開關型TEC模塊驅動器，采用直接的電流控制。

2 MAX1968功能及其特點

MAX1968是一款適用于Peltier TEC模塊的開關型驅動芯片，工作于單電源，能夠提供±3 A雙極性輸出，其功能框圖如圖2所示。

MAX1968主要由兩個開關型同步降壓穩(wěn)壓器組成，100％的占窄比實現(xiàn)了低壓差操作。在兩個同步降壓穩(wěn)壓器輸出端配有高效MOSFET，由LX1、LX2引出，經過LC濾波驅動TEC。兩個穩(wěn)壓器同時工作產生一個差動電壓，直接控制TEC電流，實現(xiàn)TEC電流的雙向控制，雙極性工作避免了線性驅動所存在的“死區(qū)”問題，以及輕載電流時的非線性問題，能夠實現(xiàn)無“死區(qū)”溫度控制。外部控制電路的輸出電壓加在TEC電流控制輸入端CTL1，直接設置TEC電流。一般TEC+接OS2，TEC-接OS1，OS1和OS2不是功率輸出，而是用來感測通過TEC的電流，流過TEC的電流由下式確定：

式中：RSENSE為TEC電流的感應電阻；VCTL1為外部控制電路的輸出電壓；VREF為參考電壓(1.5 V)。

假設正向電流為加熱，則VCTL1>1.5 V為加熱，電流的流向從OS2到OS1，OS1、OS2、CS這3個引腳的電壓關系為：VOS2>VOS1>VCS，反之則制冷。

開關穩(wěn)壓器是按周期運作的，以把功率傳輸?shù)揭粋€輸出端，這種轉換方法會在基頻及諧波上產生很大的噪聲分量，但是在MAX1968中是相位轉換并提供互補同相工作周期，所以紋波波形大大減小，抑制了紋波電流和電氣噪聲進入TEC模塊，進而影響LD工作性能。FREQ用來設置內部振蕩器的開關頻率，當FREQ接地頻率為500 kHz，F(xiàn)REQ接電源頻率為1 MHz。

MAX1968片內帶有的MOSFET驅動器，減少了外部元件，芯片工作在較高的開關頻率下，可以用更小的電感和電容，從而減少PCB(印制電路板)的面積、降低成本。

為了確保電流控制環(huán)的穩(wěn)定，在COMP端接一補償電容，此電容的值可由下式確定：

式中:f為電流控制環(huán)的頻率，一般不大于LX1端的濾波諧振頻率；gm為環(huán)的跨導，典型值為100μA／V；RTEC為TEC阻抗。

將SHDN引腳置低，MAX1968還可以工作在省電模式。

芯片還提供了一系列的保護和監(jiān)測功能：

a) 限制流過TEC最大的正向和反向電流，而且是獨立控制的?？筛鶕?jù)使用的TEC在REF和GND之間通過分壓電阻，在引腳MAXIP和MAXIN端設置。

b) ITEC為狀態(tài)輸出，用以監(jiān)測TEC的電流，是通過CS與OS1之間的電流感應電阻取樣，此輸出電壓與流過TEC的電流成正比。

c) TEC電壓限制功能，MAX1968為TEC提供了最大壓差控制，在REF和GND之間通過分壓電阻設置VMAx，VMAx在0～1.5 V內變化，而通過TEC的電壓為VMAX的4倍。

d) 模擬控制信號直接精確地設置TEC電流，消除了TEC中的浪涌電流。

3 MAX1968應用電路設計方案

要保證LD正常工作，首先要確定LD的正常工作溫度。LD現(xiàn)在一般都做成內帶背光檢測光敏二極管，TEC和溫度傳感器的LD組件其半導體制冷器和溫度傳感器都緊貼在LD的管芯上，這樣制冷效果很好，而且溫度傳感器檢測到的溫度能正確地反應LD的工作溫度。MAX1968是一個TEC控制器，用于設定和穩(wěn)定TEC的溫度。每個加載在MAX1968電流控制輸入端的電壓對應一個目標溫度設定點。適當?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅動TEC對LD供熱或是制冷。LD的溫度由溫度傳感器來測量并反饋給MAX1968，用于調整系統(tǒng)回路和驅動TEC工作。TEC控制器為了完成此工作，需要一個精密的輸入放大器，用以準確測量目標溫度和LD實際溫度之間的差別；需要一個補償放大器，用以優(yōu)化TEC對溫度間隔的反應。MAX1968能高效率工作以減小熱量，而且體積小，系統(tǒng)外部元件少，所以可廣泛應用于激光器、各種光電儀器和光通信、自動測試設備和生物技術實驗室沒備等ATC系統(tǒng)。圖3為利用MAX1968設計LD的溫度控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)中主控回路采用負反饋，將溫度傳感器輸出的電壓與給定電壓比較，所得誤差值經放大和一定的控制電路或控制算法后，送入MAX1968，以控制TEC上的電壓、電流的大小和方向，進而實現(xiàn)制冷或制熱。

下面簡單介紹LD溫度控制系統(tǒng)中有關溫度傳感器、給定溫度值等部分的選擇方案。

3.1 溫度傳感器的選擇

溫度傳感器的選擇至少要考慮4方面因素：線性度、溫度范圍、靈敏性以及其大小。常用的溫度傳感器有負溫度系數(shù)的熱敏電阻、RTD(電阻溫度檢測器，包括鉑電阻、銅電阻等)、集成溫度傳感器(如LM335、AD590或AD592等)，它們的有關參數(shù)比較見表1。

最常用的是熱敏電阻，其靈敏度高，體積小，價格低，但是其阻值與溫度呈非線性關系，所以在應用中通常要進行線性化處理。RTD的阻值隨著溫度的變化線性增加，但其靈敏性較差，一般用在穩(wěn)定性要求不高的場合。LM335、AD590在整個溫度范圍內都具有很好的線性，而且靈敏度很高，LM335是電壓輸出型，溫度每變化1 K，其電壓改變10 mV；AD590是電流輸出型，溫度每變化1 K，其電流變化1 mA。它們的溫度穩(wěn)定性可達到0.01℃，在LD溫度控制系統(tǒng)中應用也很廣泛。

3.2 給定溫度值的設定

采用電阻分壓器直接設定溫度值，其電路簡單，操作方便，但調節(jié)比較麻煩，而且精度不高。

利用單片機設定相對某一溫度的給定電壓數(shù)字量，經D／A轉換器芯片(如MAX5144)轉換為模擬給定值。這種方法電路較復雜，但可通過程序直接將給定值設定在期望值附近，數(shù)字調節(jié)的精度很高，而且單片機還可應用于控制電路后續(xù)的處理和顯示電路中。

3.3 控制方法

溫度傳感器所提供的反饋信號與設定的溫度值比較后得到的誤差項經過放大處理送給控制電路。最常用的控制電路是由分立元件所構成的模擬PID，也可以是數(shù)字PID控制，但是有一點要注意，數(shù)字PID容易在系統(tǒng)引入噪聲，需要進行適當處理，否則會影響系統(tǒng)的性能。除了上面兩種控制方法，還有一種較為常用的方法就是在系統(tǒng)中利用單片機作為微控制器，通過A／D、D／A轉換和PID算法，輸出模擬量給MAX1968的CTL1，以驅動TEC實現(xiàn)對LD的加熱或制冷，軟硬件結合，可以提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

3.4 其他注意事項

元器件選定后構建LD溫度控制系統(tǒng)最重要的工作就是機械安裝。如果熱沉不合適或者器件之間的熱傳導很差，不僅會使得系統(tǒng)性能下降，甚至可能會導致器件的損壞。

從概念上說，熱沉的作用很簡單：提供一個恒溫表面，通常接近室溫。熱沉的性能將影響系統(tǒng)最大溫度范圍和溫度穩(wěn)定性。為了有效地散熱，熱沉最好是帶有翅狀的突起，熱沉表面積越大，熱量消散越快。如果熱沉設計不好，系統(tǒng)會陷入熱量失控的惡性循環(huán)，即熱沉不能及時將泵浦進去的熱量轉移走，則TEC冷端的溫度會升高，傳感器感測到這個溫升后，控制器將增加輸出電流以補償溫度的升高，而隨著電流的增加又泵浦更多的熱量進入熱沉，進一步升高TEC冷端的溫度。這樣不斷循環(huán)下去直到到達電流的極限值，這時系統(tǒng)將不再受控，激光器也無法穩(wěn)定在設定的溫度值。所以熱沉應能及時將激光器和TEC冷端所產生的熱量消散掉。

TEC模塊安裝到熱沉中有不同的方法，對具體的TEC，制造商會推薦適當?shù)陌惭b方式，為實現(xiàn)優(yōu)化溫度控制，從待冷卻(或加熱)的器件到TEC表面的熱通路應有高的熱傳導率和短的物理長度，溫度傳感器也盡可能靠近激光器以提高測量準確度。同時，還要盡量減小輻射和對流所帶來的損失。

4 結束語

本文介紹TEC驅動芯片MAX1968的控制原理及其特點，并給出了該芯片的應用設計方案，同時討論了構成系統(tǒng)的各部件選擇方案或原則，對不同的LD和TEC只要恰當?shù)剡x擇外圍器件，用MAX1968構建的溫度控制系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定地達到所設定的溫度值，穩(wěn)定性可達到0.01℃。