引 言
LD(激光二極管)由于其波長范圍寬,、制作簡單,、成本低,、易于大量生產(chǎn),，而且體積小、重量輕,、壽命長,，因而品種發(fā)展快，目前已超過300種,，應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學(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,、自動控制,、檢測儀器等領(lǐng)域，并形成了廣闊的市場,。
LD缺點(diǎn)是輸出特性受溫度影響很大,，見圖1。
隨著溫度的升高,，需要有更多的載流子注入來維持所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),，LD的閾值電流升高，這會導(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,，則不儀會影響其輸出特性,，甚至?xí)p壞LD。
為了保證LD有較長的工作壽命,，必須采取ATC(自動溫度控制)措施,，通過控制LD管芯溫度來維持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是一種沒有運(yùn)動部分的小型熱泵,，常被運(yùn)用于空間有限和高可靠性的場合。TEC的功能實(shí)現(xiàn)取決于供電電流的方向,，通過改變電流方向?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)時地測量安放在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)際溫度的電壓通過運(yùn)放進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個偏差電壓,，此信號經(jīng)過相應(yīng)的硬件和控制算法處理后,，輸出一定的電壓經(jīng)過驅(qū)動電路送給TEC模塊，TEC根據(jù)流過電流的方向,，對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，還要考慮到LD的保護(hù)問題,。
TEC控制器按輸出的工作模式可分成線性模式和開關(guān)模式,。傳統(tǒng)LD的熱電溫度控制大多采用線性模式的TEC控制器，一個簡單的線性驅(qū)動TEC電路由兩個推挽功率三極管構(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)”問題。
本文介紹的MAX1968是高度集成,、高性價比,、高效率的開關(guān)型TEC模塊驅(qū)動器，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模塊的開關(guān)型驅(qū)動芯片,，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主要由兩個開關(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,。在兩個同步降壓穩(wěn)壓器輸出端配有高效MOSFET,，由LX1、LX2引出,，經(jīng)過LC濾波驅(qū)動TEC,。兩個穩(wěn)壓器同時工作產(chǎn)生一個差動電壓,，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性驅(qū)動所存在的“死區(qū)”問題,，以及輕載電流時的非線性問題，能夠?qū)崿F(xiàn)無“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,，而是用來感測通過TEC的電流,，流過TEC的電流由下式確定：
式中：RSENSE為TEC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個引腳的電壓關(guān)系為：VOS2>VOS1>VCS,，反之則制冷。
開關(guān)穩(wěn)壓器是按周期運(yùn)作的,，以把功率傳輸?shù)揭粋€輸出端,，這種轉(zhuǎn)換方法會在基頻及諧波上產(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用來設(shè)置內(nèi)部振蕩器的開關(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)動器,，減少了外部元件，芯片工作在較高的開關(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TEC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)測功能：
a) 限制流過TEC最大的正向和反向電流,，而且是獨(dú)立控制的,。可根據(jù)使用的TEC在REF和GND之間通過分壓電阻,，在引腳MAXIP和MAXIN端設(shè)置,。
b) ITEC為狀態(tài)輸出，用以監(jiān)測TEC的電流,，是通過CS與OS1之間的電流感應(yīng)電阻取樣,，此輸出電壓與流過TEC的電流成正比。
c) TEC電壓限制功能,，MAX1968為TEC提供了最大壓差控制,，在REF和GND之間通過分壓電阻設(shè)置VMAx，VMAx在0～1.5 V內(nèi)變化,，而通過TEC的電壓為VMAX的4倍,。
d) 模擬控制信號直接精確地設(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到的溫度能正確地反應(yīng)LD的工作溫度,。MAX1968是一個TEC控制器,，用于設(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度。每個加載在MAX1968電流控制輸入端的電壓對應(yīng)一個目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn),。適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)動TEC對LD供熱或是制冷,。LD的溫度由溫度傳感器來測量并反饋給MAX1968，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動TEC工作,。TEC控制器為了完成此工作,，需要一個精密的輸入放大器，用以準(zhǔn)確測量目標(biāo)溫度和LD實(shí)際溫度之間的差別,；需要一個補(bǔ)償放大器,，用以優(yōu)化TEC對溫度間隔的反應(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,、自動測試設(shè)備和生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室沒備等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)比較見表1,。
最常用的是熱敏電阻，其靈敏度高,，體積小,，價格低，但是其阻值與溫度呈非線性關(guān)系,，所以在應(yīng)用中通常要進(jìn)行線性化處理,。RTD的阻值隨著溫度的變化線性增加，但其靈敏性較差,，一般用在穩(wěn)定性要求不高的場合,。LM335、AD590在整個溫度范圍內(nèi)都具有很好的線性,，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與設(shè)定的溫度值比較后得到的誤差項(xiàng)經(jīng)過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A／D、D／A轉(zhuǎn)換和PID算法,，輸出模擬量給MAX1968的CTL1,，以驅(qū)動TEC實(shí)現(xiàn)對LD的加熱或制冷，軟硬件結(jié)合,，可以提高整個系統(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,，不僅會使得系統(tǒng)性能下降,，甚至可能會導(dǎo)致器件的損壞。
從概念上說，熱沉的作用很簡單：提供一個恒溫表面,，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)會陷入熱量失控的惡性循環(huán)，即熱沉不能及時將泵浦進(jìn)去的熱量轉(zhuǎn)移走,，則TEC冷端的溫度會升高,，傳感器感測到這個溫升后，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,，這時系統(tǒng)將不再受控,，激光器也無法穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值。所以熱沉應(yīng)能及時將激光器和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,，對具體的TEC，制造商會推薦適當(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)率和短的物理長度,，溫度傳感器也盡可能靠近激光器以提高測量準(zhǔn)確度,。同時，還要盡量減小輻射和對流所帶來的損失,。
4 結(jié)束語
本文介紹TEC驅(qū)動芯片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，同時討論了構(gòu)成系統(tǒng)的各部件選擇方案或原則,，對不同的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℃,。