半導體雷射控制器電路原理分析

2020-12-06 電子發燒友

半導體雷射控制器電路原理分析

工程師飛燕 發表於 2018-07-03 10:07:00

把關鍵元件（如高性能晶振、SAW濾波器、光放大器、雷射二極體）的本機溫度限制在窄範圍內，可以提高電子系統的精度，一般需要將溫度控制在0. 1℃內，雷射器的工作精度才能很好地保持在0. 1nm內。本文的設計方案能為大功率半導體雷射器提供有效支持，最大電流可達2. 5A.

1半導體雷射控制器的設計

雷射控制器由受控恆流源，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.

圖1 雷射控制器功能模塊圖

1. 1受控恆流源：

為了使雷射器輸出穩定的雷射，對流過雷射器的電流要求非常嚴格，供電電路必須是低噪聲的穩定的恆流源。恆流源可以從0A~2. 5A之間連續可調，以適應不同規格的半導體雷射器。該恆流源是以大功率的MOS管為核心，雷射器作為負載與之串聯，通過控制MOS管的柵極，來實現對雷射器電流的控制。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，用於採樣反饋，MOS管的電流變化範圍是0A~2.

圖2 電子設計圖

三菱FX系列PLC -三菱PLC編程手冊（FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC系列）5A ，輸入控制信號的電壓範圍是0V~5V ，將採樣電阻的電壓放大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係。但由於整個反饋是開環系統，十分容易產生自激，因此在採樣電阻連一個1μF的電容，破壞自激產生條件、消除自激，並且應採用穩定的電源以減小電壓波動。

1. 2溫度檢測及控制電路

由於溫度對雷射的品質有很大影響，在電流恆定的情況下，溫度每升高1℃，雷射波長將增加大約0. 1nm ，而且溫度過高將導致雷射器老化甚至損壞。

並且雷射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、熱電製冷器（thermoeleCTRiCCooler ，TEC）電壓、電流和溫度的感測。異常工作電路停機以避免雷射器元件損壞。值得注意的是：環境溫度的變化對雷射器的影響，要求控制器具備製冷和制熱的能力。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恆溫槽內。為了提供某種調整容限，其所選溫度應高於所有條件下的環境溫度。這種方法曾被廣泛採用，特別是用在超穩時鐘的設計中（如恆溫槽控制的晶振）。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；環境溫度處於中間範圍時調整器消耗加熱的功率，在環境溫度處於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。

目前採用半導體TEC來實現，因為它可選擇調整溫度值處在工作溫度範圍的中間。TEC可做為熱泵或做為熱源，這取決於電流方向。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。並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的驅動電路通常採用「H」橋式，由兩個互補的達林頓管或MOS管構成。

對H橋的驅動宜採用開關式驅動方式，開關式驅動方式功耗小、效率高。對於開關式驅動方式可以使用LTC1923等專用晶片驅動。其原理如圖3所示。

圖3 TEC 電源驅動電路

DRV592是TI（Texas Instruments）公司出品的高效、大功率H橋電源驅動集成塊，輸出電壓範圍從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℃工業用溫度範圍標準。值得一提的是該晶片集成了4個大功率MOSFET和過載保護電路，與採用分立元件設計（見圖3）相比，簡化80 %的設計。並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雷射二極體系統。基於DRV592的半導體TEC的電源驅動電路見圖4.和圖3相比，可以看到基於DRV592的TEC電源驅動電路設計大大簡化，並且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.

圖4 典型TEC電源驅動

由於大電流開關電路會產生很大的噪聲幹擾，為減少幹擾，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。

另外由於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，可在放大器兩端並聯積分電路，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恆流源類似，採用NTC（負溫度係數）的熱敏電阻作為溫度探測器。其中用陶瓷粉工藝製作的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。並且與其它溫度傳感相比，陶瓷NTC的尺寸特別小。然後將熱敏電阻串聯入一恆流源，對熱敏電阻兩端電壓採樣，將溫度變換為電信號。原理如圖5所示。

圖5 溫度檢測電路

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