引 言
近年來,隨著光電技術(shù)的迅猛發(fā)展,激光器已廣泛應用于醫(yī)療、國防、測量等各個領域。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(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),以適應不同規(guī)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)時鐘的設計中(如恒溫槽控制的晶振) 。但高溫應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長。
目前采用半導體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（TexasInstruments）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2.8V到5.5V,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×9mm32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個大功率MOSFET和過載保護電路，與采用分立元件設計（見圖3）相比，簡化80%的設計。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，適用于手持移動設備。在1kHz的噪音僅為19nV,是同類產(chǎn)品的1/4。
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