基于ADN8831的溫度控制系統(tǒng)在激光器中的應(yīng)用

呂 飛， 高 峰， 鄭 橋， 袁自鈞

（合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009）

0 引 言

本文主要介紹一種可用于激光器溫度控制的方法，溫度對Nd：YAG／KTP倍頻激光器的特性有很大的影響，需要精確控制KTP溫度，使其達(dá)到最佳工作條件，必須對其溫度進(jìn)行高精度控制，因此，對半導(dǎo)體激光器的溫度控制技術(shù)的研究具有重要的意義。采用半導(dǎo)體制冷器實(shí)現(xiàn)對激光器溫度控制是一種常用的方法，本文介紹了一種通過ADN8831的溫控電路控制熱電制冷器（TEC）對激光器進(jìn)行溫度控制的方法［1－3］。傳統(tǒng)的模擬控溫系統(tǒng)，如激光器常用的水冷方法等，由于技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法的原因僅實(shí)現(xiàn)了單向調(diào)節(jié)溫度，且精確度并不是很高?；贏DN8831的溫控電路利用NTC負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻采集溫度信號，對信號進(jìn)行分析處理，通過PID算法控制熱電制冷器（Thermoelectric Cooler，簡稱TEC）制冷或產(chǎn)生熱量，從而達(dá)到雙向控制KTP溫度的目的，且PID算法可以實(shí)時(shí)地根據(jù)目標(biāo)物體的溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，控制TEC加熱或制冷，且PID算法中的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以使控制精度優(yōu)于傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)。需要說明的是PID算法的調(diào)節(jié)時(shí)間較長，PID控制需要經(jīng)過較長時(shí)間的調(diào)整，才能重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且調(diào)整過程中輸出量受被控對象變化的影響較大。如能解決這一問題，系統(tǒng)對溫度控制的精度將會(huì)進(jìn)一步提高，如用于激光器的溫度控制將會(huì)使激光器的輸出更加穩(wěn)定。

1 溫度控制原理

TEC是一個(gè)利用塞貝克效應(yīng)來加熱和制冷的半導(dǎo)體P－N結(jié)器件［4］，當(dāng)在TEC兩端加偏置電流時(shí)，TEC的一端加熱，另一端制冷［5］。如果偏置電流反向，則加熱端和制冷端互換。TEC轉(zhuǎn)移的熱量與通過TEC的電流成正比，但并非是簡單的線性關(guān)系，因此，目標(biāo)物體的溫度可以通過調(diào)節(jié)流過TEC兩端的電流的大小和方向來控制。

首先由NTC來感應(yīng)目標(biāo)物體的溫度，產(chǎn)生一個(gè)表明目標(biāo)物體溫度的電壓，此電壓與用于表示設(shè)定溫度的電壓值通過運(yùn)算放大器進(jìn)行比較［6］，產(chǎn)生一個(gè)偏置電壓。該偏置電壓通過差分放大器進(jìn)行放大，同時(shí)通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)物體引起的相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償［7－9］（補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由補(bǔ)償放大器和電阻電容組成）。然后通過H橋電路輸出電流控制TEC加熱或制冷，當(dāng)目標(biāo)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，H橋?qū)⒉惠敵鲭娏鳌?/p>

TEC控制框圖，如圖1所示。

圖1 TEC控制框圖

該系統(tǒng)主要是通過PID算法、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和H橋?qū)崿F(xiàn)對溫度的高精度的雙向控制。根據(jù)產(chǎn)生的偏置電流的大小，PID算法可精確反映出目標(biāo)物體的溫度是高于設(shè)定溫度還是低于設(shè)定溫度以及差值；然后通過補(bǔ)償放大網(wǎng)絡(luò)把信號電壓放大到合適的值由H橋電路向TEC加正向電壓或反向電壓來控制TEC加熱或制冷，從而達(dá)到精確控制目標(biāo)物體溫度的目的。

2 基于ADN8831的溫度控制電路

ADN8831是TEC的控制器，ADN8831的輸入電壓由設(shè)定溫度與目標(biāo)物體溫度的差值決定。然后會(huì)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娏骷釉赥EC兩端，使其加熱或制冷，從而控制目標(biāo)物體的溫度。目標(biāo)物體的溫度由負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻來感應(yīng)并反饋給ADN8831的控制電路產(chǎn)生信號控制TEC，使目標(biāo)物體最終達(dá)到一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟?。為了增加穩(wěn)定性，熱敏電阻應(yīng)緊靠目標(biāo)物體。

圖2所示為ADN8831的圖解，ADN8831是具有自校正、自歸零功能的放大器（CHOP1、CHOP2）。溫度測量放大器（CHOP1）能夠根據(jù)物體的溫度產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷海籆HOP1的輸出電壓傳遞到補(bǔ)償放大器（CHOP2）上作為其輸入。在補(bǔ)償階段，溫度差值產(chǎn)生的電壓與設(shè)定的電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生同誤差成比例的誤差電壓。補(bǔ)償放大器與電阻、電容組成了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定可以使TEC的穩(wěn)定時(shí)間和最大電流改變達(dá)到最優(yōu)化。TEC是由一個(gè)H橋電路進(jìn)行有區(qū)別的驅(qū)動(dòng)的，ADN8831驅(qū)動(dòng)外部的晶體三極管對TEC提供電流。

為了改進(jìn)該系統(tǒng)的功率效率，H橋的一端使用開關(guān)輸出，只需要一個(gè)電感器和一個(gè)電容即可過濾開關(guān)頻率。H橋的另一端采用線性輸出，該端不需要附加任何外部電路，這種設(shè)計(jì)可以使ADN8831的效率大于90%。

圖2中的各個(gè)引腳作用如下。

ILIMC：模擬輸入，設(shè)定TEC制冷電流限制；IN1P：模擬輸入，差分放大器同相輸入；IN1M：模擬輸入，差分放大器反相輸入；OUT1：模擬輸出，差分放大器輸出；IN2P：模擬輸入，補(bǔ)償放大器的同相輸入；IN2M：模擬輸入，補(bǔ)償放大器的反相輸入；OUT2：模擬輸出，補(bǔ)償放大器的輸出；VREF：模擬輸出，2.5 V參考電壓；AVDD：3～5 V電源，用于無驅(qū)動(dòng)部分；PHASE：設(shè)定SYNCO時(shí)鐘與SYNCI／SD時(shí)鐘的相位比較關(guān)系；TMPGD：數(shù)字輸出；AGND：接地；FREQ：模擬輸入，通過外接電阻設(shè)定開關(guān)頻率；SS／SB：模擬輸入，設(shè)定輸出電壓的軟啟動(dòng)時(shí)間；SYNCO：數(shù)字輸出，時(shí)鐘輸出的相位調(diào)節(jié)；SYNCI／SD：數(shù)字輸入，任意的時(shí)鐘輸入，如果沒有連接，時(shí)鐘頻率由引腳FREQ確定；COMPOSC：模擬輸出，對振蕩器進(jìn)行補(bǔ)償；PVDD：3～5 V電源，用于輸出驅(qū)動(dòng)部分；SPGATE：模擬輸出，PWM輸出驅(qū)動(dòng)外部PMOS門；SW：模擬輸入，連接PWM和FET；SNGATE：模擬輸出，PWM輸出驅(qū)動(dòng)外部NMOS門；PGND：連接外部數(shù)字電路接地；SFB：模擬輸入，PWM反饋；COMPSW：模擬輸入，轉(zhuǎn)換放大器補(bǔ)償；LPGATE：模擬輸出，外部PMOS門的線性輸出驅(qū)動(dòng)；LFB：模擬輸入，線性反饋；CS：模擬輸入，連接輸出電流的檢測電阻；ITEC：模擬輸出，TEC的電流；VTEC：模擬輸出，TEC的電壓；VLIM：模擬輸入，設(shè)定TEC的最大電壓值；ILIMH：模擬輸入，限定TEC制熱時(shí)的電流值。

圖2 ADN8831圖解

3 溫度控制電路的參數(shù)設(shè)置

溫度控制電路的PCB版圖，如圖3所示。

圖3 PCB版圖

（1）熱敏電阻。采用10 kΩ，β＝3 450（25℃）的熱敏電阻，控制TEC的電壓使溫度在25℃。電阻值由設(shè)定溫度的高、中、低（TH、TM、TL）3個(gè)值決定，｛TL，TH｝為TEC的可控溫度范圍，TM＝（TH＋TL）／2。VT為引腳TEMPOT（OUT1）的電壓，它是RTH（熱敏電阻阻值）的子函數(shù)，由RTH決定，即

VREF為參考電壓，設(shè)定值為2.5 V。

如設(shè)定溫度的范圍為｛15℃，35℃｝，則可知TM為25℃。查看熱敏電阻表可知：

對于不同的溫度設(shè)定，可根據(jù)（1）～（3）式和參考本文所給出的例子計(jì)算出相應(yīng)的電阻值，便可實(shí)現(xiàn)溫度在這個(gè)范圍內(nèi)的精確控制，并可以根據(jù)需要設(shè)定不同的溫度范圍。該電路也可用于激光器外其他器件的溫度控制。

（2）輸出電流限制。使用電位器W3和W4來決定TEC在制冷和制熱2種模式下的電流，由（4）式和（5）式來確定引腳ILIMC和ILIMH的電壓，即

其中，ITCMAX為TEC制冷模式下的最大電流；ITHMAX為TEC制熱模式下的最大電流；RS為電流檢測電阻，其值為0.02Ω。

TEC制冷或制熱的速率與其通過的電流成正比，在不超過限制電流的情況下，電流越大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量或制冷量也會(huì)越多，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對溫度的快速響應(yīng)，提高系統(tǒng)制熱或制冷的靈敏度，使溫度保持在設(shè)定范圍，激光器能更好地工作。在使用過程中要控制電流不超過范圍，不然會(huì)影響電路系統(tǒng)的正常工作，不能達(dá)到精確控制溫度的作用。

（3）輸出電壓限制。為了避免TEC過載，可通過調(diào)節(jié)W2來控制過載保護(hù)電壓VVLIM。設(shè)定31（VLIM）引腳的電壓來控制通過TEC的最大電壓值，即

其中，VVLIM為引腳31的電壓；VTMAX為通過TEC的最大電壓。

輸出電壓限制可以控制TEC兩端的最大電壓值，以避免電壓值過大造成TEC過載而出現(xiàn)燒壞的情況，這樣可保證電路工作過程中的安全性。

（4）TEC的電壓?？赏ㄟ^測量30（VTEC）引腳的電壓來實(shí)時(shí)監(jiān)控TEC的電壓，即

VTEC＝4VLFB－VSFB＝4（VVTEC－0.5VREF），其中，VTEC為TEC的電壓；VLFB為引腳LFB的電壓；VSFB為引腳SFB的電壓；VVTEC為引腳VTEC的電壓。

其中，VOUT2為引腳7（OUT2）的電壓值。VB的值由VDD決定，即

通過對TEC兩端電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控可以知道系統(tǒng)是否正常工作，以確保電路的可用性，依據(jù)目標(biāo)物體的溫度和參考點(diǎn)的設(shè)定值，通過PID算法可以計(jì)算出TEC的電壓，與實(shí)際測定的值進(jìn)行比較，可知道系統(tǒng)的工作狀態(tài)是否正常。TEC兩端電壓的監(jiān)控可以通過電壓表測量或使用示波器監(jiān)控電壓值，以確保系統(tǒng)的正常工作。

（5）PWM開關(guān)頻率的設(shè)定。通過對RFREQ阻值的調(diào)節(jié)可以改變PWM的開關(guān)頻率，減小PWM的開關(guān)頻率可以提高系統(tǒng)的功率效率，但是需要使用更大尺寸的感應(yīng)濾波器電感和電容。fSWITCH和RFREQ的關(guān)系見表1所列。

表1 fSWITCH和RFREQ的關(guān)系

VT隨溫度變化的曲線和VTEC隨VOUT2變化的曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 引腳TEMPOT（OUT1）的電壓與溫度的關(guān)系

圖5 TEC的電壓與VOUT2的關(guān)系

從圖4、圖5可以看出，在一定范圍內(nèi)TEC的電壓與溫度成線性關(guān)系，當(dāng)溫度差值較大時(shí)，TEC兩端的電壓也較高，可快速加熱或制冷，迅速調(diào)節(jié)激光器的溫度。這是傳統(tǒng)的水冷法調(diào)節(jié)溫度所無法達(dá)到的，傳統(tǒng)的水冷法只能降低激光器的溫度，而且最低值是受水溫限制的，無法調(diào)節(jié)，更達(dá)不到雙向調(diào)控，精度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用了PID算法進(jìn)行調(diào)控的電路系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于ADN8831的溫度控制系統(tǒng)，分別在溫度范圍的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)設(shè)定參數(shù)，通過PID算法對其進(jìn)行精確控制。該系統(tǒng)可以有效地對目標(biāo)物體的溫度進(jìn)行控制，能夠使目標(biāo)物體長期穩(wěn)定工作在設(shè)定溫度下，可以用于激光器的溫度控制。

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