【導讀】通過對半導體激光器特性的研究，可知溫度對激光器的正常工作有著重要的影響。溫度會直接影響到半導體激光器的工作參數(shù)包括：閾值電流、V-I 關系、輸出波長、P-I 關系等。同時高溫也會對激光器產(chǎn)生極大的影響，嚴重影響其使用壽命和效率。
引言
通過對半導體激光器特性的研究，可知溫度對激光器的正常工作有著重要的影響。溫度會直接影響到半導體激光器的工作參數(shù)包括：閾值電流、V-I 關系、輸出波長、P-I 關系等。同時高溫也會對激光器產(chǎn)生極大的影響，嚴重影響其使用壽命和效率。本文采用ADN8831 溫度控制芯片為激光器提供恒定且可調的工作溫度來保證激光器高效率工作。
1 溫度控制芯片介紹
根據(jù)半導體激光器對溫度的要求，選定ADN8831作為激光器的溫度控制主芯片。ADN8831芯片是目前最優(yōu)秀的單芯片高集成度、高輸出效率和高性能的TEC驅動模塊之一。ADN8831 的最大溫漂電壓低于250 mV,能夠使設定溫度誤差控制在±0.01 ℃左右。在工作過程中，ADN8831 輸入端的電壓值對應一個設定好的目標溫度。適當大小的電流流過TEC,使TEC加熱或制冷，在這個過程中使激光器表面溫度向設定溫度值靠近。此芯片還有過流保護功能，可編程開關頻率最高可達1 MHz.
2 TEC控制原理
TEC（Thermo Electric Cooler）實際上是用兩種材料不同半導體（P型和N型）組成PN結，當PN結中有直流電流通過時，由于兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結移動過程中產(chǎn)生吸熱或放熱效應（帕爾帖效應），就會使PN結表現(xiàn)出制冷或制熱的效果，改變電流方向即可實現(xiàn)TEC加熱或制冷，調節(jié)電流大小即可控制加熱或制冷量的輸出。利用TEC穩(wěn)定激光器溫度方法的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1中貼著激光器右側的是溫度傳感器，這里使用具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻。這個熱敏電阻是用來測量安放在TEC表面上的激光器的溫度。期望的激光器溫度用一個固定的電壓值來表示，與熱敏電阻產(chǎn)生的電壓值通過高精度運算放大器進行比較，比較后產(chǎn)生的誤差電壓通過高增益的放大器放大，同時補償網(wǎng)絡對因為激光器的冷熱端引起的相位延遲進行補償，補償后驅動H橋輸出，H橋不僅控制TEC電流的大小還能控制TEC電流的方向。當激光器的溫度值低于設定點溫度值時，H 橋會朝TEC 一個方向按一定的幅值驅動電流，此時TEC處于加熱狀態(tài)；當激光器的溫度值高于設定點溫度值時，H橋會減少TEC的電流大小甚至會改變TEC的電流方向，這時TEC就處于制冷狀態(tài)。當控制環(huán)路達到平衡時，TEC的電流的大小和方向就調整好了，激光器溫度就會慢慢的向設定好溫度靠近。
3 溫控電路設計
3.1 輸入部分設計
電橋由R1,R2,RTH組成，當電橋處于穩(wěn)定狀態(tài)時候，設定溫度值就是激光器表面的溫度值，其中RTH 是具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻。R1 的阻值可由式（1）計算得到：
式中：RL為激光器在最低溫度時，熱敏電阻的阻值；RH為激光器在最高溫度時，熱敏電阻的阻值；RM為激光器在平均溫度時，熱敏電阻的阻值。控制芯片ADN8831 的3腳（1N1N）輸入端的電壓值為：
式中：RTH 為熱敏電阻的阻值（設定好溫度相對應的阻值）；基準電壓VREF=2.47 V.經(jīng)測試，室溫25 ℃時，NTC熱敏電阻的阻值大約為10 kΩ，這時選取R2=10 kΩ，R3=10 kΩ與熱敏電阻進行并聯(lián)。感應的目標溫度與輸出電壓關系成正比，如式（3）所示：
設溫度下限TLOW 時VTEMPOUT=0 V,中間值TMID 時VTEMPOUT = VREF/2 ,上限THIGH 時VTEMPOUT=VREF,因此通過改變R1,R2,R3電阻的阻值大小來設定溫度控制范圍。溫度-電壓的轉換電路，如圖2所示。
經(jīng)測試，溫度與輸出電壓大體上呈線性關系（見圖3）。
3.2 補償電路設計
PID（Proportion Integrator Differentiator）比例積分微分調節(jié)補償網(wǎng)絡是TEC溫控電路中最關鍵的部分，它決定了TEC 控制器的響應速度和溫度穩(wěn)定性。PID 相當于放大倍數(shù)可調的放大器，用比例運算和積分運算來提高調節(jié)精度，用微分運算加速過渡過程，較好地解決了調節(jié)速度與精度的矛盾。PID 的數(shù)學模型可用式（4）表示：
式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。
在進行修正時，一般采用調節(jié)補償電路參數(shù)的方法來使TEC控制系統(tǒng)的響應時間和精度變得更優(yōu)。在電路設計時，把前級誤差運放的輸出連接到溫度補償電路的輸入管腳上，這樣就完成了溫度補償電路的設計，具體電路連接圖如圖4所示。
由于本文中測溫目標為激光器，根據(jù)設計要求和計算，系統(tǒng)的參數(shù)通常這樣選取：R5=100 kΩ，RH=1 MΩ，RF=200 kΩ，C1=1 μF,C2=10 μF和一個330 pF的反饋電容。
3.3 輸出部分設計
ADN8831是一個差分輸出方式的TEC控制器。搭建一個外圍H橋電路產(chǎn)生適當?shù)碾娏鱽眚寗覶EC,使其對半導體激光器加熱或制冷。如圖5所示。
圖中的P1,P2,N1,N2,OUTA,OUTB 分別連到ADN8831的P1,P2,N1,N2,OUTA,OUTB引腳上。TEC控制器設在H橋中間，構成一個不對稱橋。ADN8831對H橋的左支采用開關方式驅動，右支采用線性方式驅動，即當開關管N1導通、開關管P1關閉、P2常通、N2常閉時，電流從TEC的OUTB端經(jīng)TEC流向OUTA端，此為制冷狀態(tài)；當開關管N1關閉、開關管P1導通、P2常閉、N2常通時，電流從TEC 的OUTA 端經(jīng)TEC 流向OUTB 端，此為致熱狀態(tài)。這種靈活又方便的外接H橋，能更好的提高電源效率，減小紋波電流，增加了散熱路徑。
用非對稱H橋驅動TEC,其中器件的選擇要考慮兩個因素：
（1）TEC工作的最大電流是多少；
（2）導通電阻最小可以是多少（考慮功率耗散問題）。
本文采用的是FAIRCHILD SEMICONDUCTOR 公司的FDW2520C 芯片。該芯片由一對PMOS 和NMOS管構成，其中PMOS管能夠提供的最大電流為4.4 A,導通電阻為35 mΩ；NMOS管能夠提供的最大電流為6 A,導通電阻為18 mΩ。
3.4 濾波電路
為了使ADN8831 有效地驅動TEC,其電壓必須穩(wěn)定，上述的外圍H 橋電路產(chǎn)生的是0~VCC 的脈沖寬度調制方波。所以，這時候就需要設計一個濾波電路來實現(xiàn)驅動的目的。設計采用R-L-C低通濾波網(wǎng)絡，其等效電路如圖6所示。
圖6中，RL表示TEC電阻，R1是C1的等效串聯(lián)電阻，R2 等于L1 的寄生電阻加上Q1 或Q2 的導通電阻，并且R1和R2 要遠遠小于RL,VX 是在PVDD 和PGND 之間變化的脈沖寬度調制電壓，這個電路構成了一個二階的低通濾波網(wǎng)絡。
4 保護與檢測電路
ADN8831 內部提供了相關保護電路，這樣起到保護TEC 防止激光器因過熱而損壞。因為有時候通過TEC的電流有可能大于額定工作電壓，這樣會燒壞TEC和半導體激光器，造成經(jīng)濟上的損失。圖7為保護與檢測電路。
5 結語
通過實驗及分析得到，溫度控制偏差為±0.01 ℃。系統(tǒng)的恒溫控制精度取決于溫度采樣值與溫度設定值的特性，傳感器本身的精度較高，其靈敏度取決于其本身特性。若是想得到高穩(wěn)定性的電壓設定值，則需要使用高穩(wěn)定性、高精度、低溫漂的穩(wěn)壓源。此外，系統(tǒng)電路也要使用低溫漂、高穩(wěn)定性的器件。
