基于MAX1968的LD自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(TEC驅(qū)動(dòng)芯片

引 言

LD(激光二極管)由于其波長(zhǎng)范圍寬、制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)，而且體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，因而品種發(fā)展快，目前已超過(guò)300種，應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)，廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動(dòng)控制、檢測(cè)儀器等領(lǐng)域，并形成了廣闊的市場(chǎng)。

LD缺點(diǎn)是輸出特性受溫度影響很大，見(jiàn)圖1。
 

隨著溫度的升高，需要有更多的載流子注入來(lái)維持所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，LD的閾值電流升高，這會(huì)導(dǎo)致LD的能量轉(zhuǎn)化效率降低，將電能轉(zhuǎn)換為熱能，發(fā)射波長(zhǎng)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(huì)影響其輸出特性，甚至?xí)p壞LD。

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

一般ATC是采用半導(dǎo)體TEC(熱電制冷器)。TEC是一種沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部分的小型熱泵，常被運(yùn)用于空間有限和高可靠性的場(chǎng)合。TEC的功能實(shí)現(xiàn)取決于供電電流的方向，通過(guò)改變電流方向?qū)崿F(xiàn)制熱或者制冷。本文介紹的芯片MAX1968，是用來(lái)控制TEC實(shí)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(shí)時(shí)地測(cè)量安放在TEC冷端的激光管溫度，期望的工作溫度由設(shè)定點(diǎn)的電壓來(lái)表示，它與溫度傳感器產(chǎn)生的表示LD實(shí)際溫度的電壓通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)偏差電壓，此信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的硬件和控制算法處理后，輸出一定的電壓經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路送給TEC模塊，TEC根據(jù)流過(guò)電流的方向，對(duì)LD進(jìn)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(mǎn)足精度高，響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的要求，而且要能實(shí)現(xiàn)雙向控制，以適應(yīng)外界溫度變化和LD本身工作條件的不確定性。同時(shí)，還要考慮到LD的保護(hù)問(wèn)題。

TEC控制器按輸出的工作模式可分成線(xiàn)性模式和開(kāi)關(guān)模式。傳統(tǒng)LD的熱電溫度控制大多采用線(xiàn)性模式的TEC控制器，一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)TEC電路由兩個(gè)推挽功率三極管構(gòu)成，雖然具有電流紋波小且容易設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)題。

本文介紹的MAX1968是高度集成、高性?xún)r(jià)比、高效率的開(kāi)關(guān)型TEC模塊驅(qū)動(dòng)器，采用直接的電流控制。

2 MAX1968功能及其特點(diǎn)

MAX1968是一款適用于Peltier TEC模塊的開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)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(gè)開(kāi)關(guān)型同步降壓穩(wěn)壓器組成，100％的占窄比實(shí)現(xiàn)了低壓差操作。在兩個(gè)同步降壓穩(wěn)壓器輸出端配有高效MOSFET，由LX1、LX2引出，經(jīng)過(guò)LC濾波驅(qū)動(dòng)TEC。兩個(gè)穩(wěn)壓器同時(shí)工作產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)電壓，直接控制TEC電流，實(shí)現(xiàn)TEC電流的雙向控制，雙極性工作避免了線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)所存在的“死區(qū)”問(wèn)題，以及輕載電流時(shí)的非線(xiàn)性問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)“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(shè)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(lái)感測(cè)通過(guò)TEC的電流，流過(guò)TEC的電流由下式確定：

式中：RSENSE為T(mén)EC電流的感應(yīng)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(shè)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(gè)引腳的電壓關(guān)系為：VOS2>VOS1>VCS，反之則制冷。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是按周期運(yùn)作的，以把功率傳輸?shù)揭粋€(gè)輸出端，這種轉(zhuǎn)換方法會(huì)在基頻及諧波上產(chǎn)生很大的噪聲分量，但是在MAX1968中是相位轉(zhuǎn)換并提供互補(bǔ)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(jìn)入TEC模塊，進(jìn)而影響LD工作性能。FREQ用來(lái)設(shè)置內(nèi)部振蕩器的開(kāi)關(guān)頻率，當(dāng)FREQ接地頻率為500 kHz，F(xiàn)REQ接電源頻率為1 MHz。

MAX1968片內(nèi)帶有的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，減少了外部元件，芯片工作在較高的開(kāi)關(guān)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(bǔ)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(dǎo)，典型值為100μA／V；RTEC為T(mén)EC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(hù)和監(jiān)測(cè)功能：

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

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

c) TEC電壓限制功能，MAX1968為T(mén)EC提供了最大壓差控制，在REF和GND之間通過(guò)分壓電阻設(shè)置VMAx，VMAx在0～1.5 V內(nèi)變化，而通過(guò)TEC的電壓為VMAX的4倍。

d) 模擬控制信號(hào)直接精確地設(shè)置TEC電流，消除了TEC中的浪涌電流。

3 MAX1968應(yīng)用電路設(shè)計(jì)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(nèi)帶背光檢測(cè)光敏二極管，TEC和溫度傳感器的LD組件其半導(dǎo)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(cè)到的溫度能正確地反應(yīng)LD的工作溫度。MAX1968是一個(gè)TEC控制器，用于設(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度。每個(gè)加載在MAX1968電流控制輸入端的電壓對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn)。適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^(guò)TEC將驅(qū)動(dòng)TEC對(duì)LD供熱或是制冷。LD的溫度由溫度傳感器來(lái)測(cè)量并反饋給MAX1968，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動(dòng)TEC工作。TEC控制器為了完成此工作，需要一個(gè)精密的輸入放大器，用以準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)溫度和LD實(shí)際溫度之間的差別；需要一個(gè)補(bǔ)償放大器，用以?xún)?yōu)化TEC對(duì)溫度間隔的反應(yīng)。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(yīng)用于激光器、各種光電儀器和光通信、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備和生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室沒(méi)備等ATC系統(tǒng)。圖3為利用MAX1968設(shè)計(jì)LD的溫度控制系統(tǒng)。

 

系統(tǒng)中主控回路采用負(fù)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(jīng)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷或制熱。

下面簡(jiǎn)單介紹LD溫度控制系統(tǒng)中有關(guān)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(xiàn)性度、溫度范圍、靈敏性以及其大小。常用的溫度傳感器有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻、RTD(電阻溫度檢測(cè)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(guān)參數(shù)比較見(jiàn)表1。

 

最常用的是熱敏電阻，其靈敏度高，體積小，價(jià)格低，但是其阻值與溫度呈非線(xiàn)性關(guān)系，所以在應(yīng)用中通常要進(jìn)行線(xiàn)性化處理。RTD的阻值隨著溫度的變化線(xiàn)性增加，但其靈敏性較差，一般用在穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。LM335、AD590在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都具有很好的線(xiàn)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(dá)到0.01℃，在LD溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用也很廣泛。

3.2 給定溫度值的設(shè)定

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

利用單片機(jī)設(shè)定相對(duì)某一溫度的給定電壓數(shù)字量，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器芯片(如MAX5144)轉(zhuǎn)換為模擬給定值。這種方法電路較復(fù)雜，但可通過(guò)程序直接將給定值設(shè)定在期望值附近，數(shù)字調(diào)節(jié)的精度很高，而且單片機(jī)還可應(yīng)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(hào)與設(shè)定的溫度值比較后得到的誤差項(xiàng)經(jīng)過(guò)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(gòu)成的模擬PID，也可以是數(shù)字PID控制，但是有一點(diǎn)要注意，數(shù)字PID容易在系統(tǒng)引入噪聲，需要進(jìn)行適當(dāng)處理，否則會(huì)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(jī)作為微控制器，通過(guò)A／D、D／A轉(zhuǎn)換和PID算法，輸出模擬量給MAX1968的CTL1，以驅(qū)動(dòng)TEC實(shí)現(xiàn)對(duì)LD的加熱或制冷，軟硬件結(jié)合，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

3.4 其他注意事項(xiàng)

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

從概念上說(shuō)，熱沉的作用很簡(jiǎn)單：提供一個(gè)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(shè)計(jì)不好，系統(tǒng)會(huì)陷入熱量失控的惡性循環(huán)，即熱沉不能及時(shí)將泵浦進(jìn)去的熱量轉(zhuǎn)移走，則TEC冷端的溫度會(huì)升高，傳感器感測(cè)到這個(gè)溫升后，控制器將增加輸出電流以補(bǔ)償溫度的升高，而隨著電流的增加又泵浦更多的熱量進(jìn)入熱沉，進(jìn)一步升高TEC冷端的溫度。這樣不斷循環(huán)下去直到到達(dá)電流的極限值，這時(shí)系統(tǒng)將不再受控，激光器也無(wú)法穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值。所以熱沉應(yīng)能及時(shí)將激光器和TEC冷端所產(chǎn)生的熱量消散掉。

TEC模塊安裝到熱沉中有不同的方法，對(duì)具體的TEC，制造商會(huì)推薦適當(dāng)?shù)陌惭b方式，為實(shí)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(yīng)有高的熱傳導(dǎo)率和短的物理長(zhǎng)度，溫度傳感器也盡可能靠近激光器以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。同時(shí)，還要盡量減小輻射和對(duì)流所帶來(lái)的損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹TEC驅(qū)動(dòng)芯片MAX1968的控制原理及其特點(diǎn)，并給出了該芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，同時(shí)討論了構(gòu)成系統(tǒng)的各部件選擇方案或原則，對(duì)不同的LD和TEC只要恰當(dāng)?shù)剡x擇外圍器件，用MAX1968構(gòu)建的溫度控制系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定地達(dá)到所設(shè)定的溫度值，穩(wěn)定性可達(dá)到0.01℃。