引 言
近年來,隨著光電技術的迅猛發展,激光器已廣泛應用于醫療、國防、測量等各個領域。而環境溫度變化會直接影響激光器的波長。把關鍵元件(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,可以提高電子系統的精度。一般需要將溫度控制在0. 1 ℃內,激光器的工作精度才能很好地保持在0. 1nm 內 。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,溫度監視及控制電路,主控制器及顯示器構成。整體結構原理見圖1。
1. 1 受控恒流源：
為了使激光器輸出穩定的激光,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定的恒流源。恒流源可以從0A～2. 5A 之間連續可調,以適應不同規格的半導體激光器。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,通過控制MOS 管的柵極,來實現對激光器電流的控制。但MOS 管是非線性器件,難以直接控制,因此必須將其轉化為線性控制。
如圖2 所示,在MOS 管串聯一個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系。但由于整個反饋是開環系統,十分容易產生自激,因此在采樣電阻連一個1μF 的電容,破壞自激產生條件、消除自激,并且應采用穩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定是將把元件封閉在固定溫度的恒溫槽內。為了提供某種調整容限,其所選溫度應高于所有條件下的環境溫度。這種方法曾被廣泛采用,特別是用在超穩時鐘的設計中(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,速度和壽命)有所降低;環境溫度處于中間范圍時調整器消耗加熱的功率,在環境溫度處于低端時需要兩倍大的功率;達到穩定溫度所需的時間可能相當長。
目前采用半導體TEC 來實現,因為它可選擇調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(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。TEC 的驅動電路通常采用“H”橋式,由兩個互補的達林頓管或MOS 管構成。
對H 橋的驅動宜采用開關式驅動方式,開關式驅動方式功耗小、效率高。對于開關式驅動方式可以使用LTC1923 等專用芯片驅動。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(兼容TTL 邏輯電平) ,內置過流、欠壓和過熱(130 ℃) 保護和電平指示。業界最小封裝( 9mm ×9 mm 32 腳PowerPADTM扁平封裝模式) ,具有- 40 ℃到85 ℃工業用溫度范圍標準。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成精確的溫度控制環路用以穩定激光二極管系統。基于DRV592 的半導體TEC 的電源驅動電路見圖4。和圖3 相比,可以看到基于DRV592 的TEC 電源驅動電路設計大大簡化,并且DRV592 還有內置過流、欠壓和過熱(130°C) 保護電平指示。引腳功能見表1。
由于大電流開關電路會產生很大的噪聲干擾,為減少干擾,可適當增大開關管的轉換時間來降低高頻開關噪聲。雖然這會使開關效率降低一些,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,改變狀態會有一定的延遲,會給系統引起振蕩。為了消除振蕩,可在放大器兩端并聯積分電路,增加延時,消除振蕩產生。要注意的是穩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) 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(經適當老化) 具有0. 05 ℃穩定度。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、低噪音等優點,適用于手持移動設備。在1kHz 的噪音僅為19nV ,是同類產品的1/ 4。
1. 3 主控制及顯示部分
該控制器是以AT89C51 單片機為核心構成的,它直接控制激光器的驅動電流、溫度,并且能夠將系統當前溫度、電流大小,預設電流和預設溫度直觀準確的反映出來,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系,大致為e 指數形式,因此在高溫部分,對溫度的分辨力會降低,所以A/ D 轉換器應在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系表,通過查表的方法來實現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。可以用555 芯片作方波脈沖發生器,濾掉其直流成分,在用二極管將正向電壓短路,留下的負電壓經平滑處理后得到- 5V 電壓。
2 總 結
作者設計的激光控制器具有適應性強,輸出電流范圍大,溫度控制精度高,操作簡單直觀等優點,是一種比較可行的激光控制器方案。