大功率半導(dǎo)體激光器高精度溫控系統(tǒng)研究

王宗清，段 軍，曾曉雁

(華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，武漢430074)

引 言

半導(dǎo)體激光器(laser diode，LD)的性能受溫度的影響很大，如閾值電流、輸出光波長(zhǎng)和功率都會(huì)隨溫度變化。在LD電流恒定的情況下，激光波長(zhǎng)隨溫度的偏移量為0.2nm/℃ ～0.3nm/℃。在18℃ ～28℃范圍內(nèi)，LD抽運(yùn)的Nd∶YAG激光器在LD溫度變化時(shí)，激光器輸出功率隨之發(fā)生較大變化［1-2］。隨著LD被越來(lái)越廣泛地用于國(guó)防、科研、醫(yī)療、光通信等領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器對(duì)波長(zhǎng)和功率的穩(wěn)定性提出了很高的要求，這就要求對(duì)LD進(jìn)行高精度溫控［3-5］。

以Analog Devices公司的芯片DN8830為例，當(dāng)前國(guó)外處于領(lǐng)先水平的公司推出半導(dǎo)體制冷器(thermoelectric cooler，TEC)控制芯片可實(shí)現(xiàn)±0.01℃激光器溫控精度。目前，國(guó)內(nèi)多對(duì)大功率LD采用水冷來(lái)進(jìn)行控溫，其響應(yīng)速度慢、溫控精度低。而利用TEC對(duì)LD進(jìn)行溫控，由于其驅(qū)動(dòng)電路電流不超過(guò)3A，無(wú)法滿(mǎn)足大功率制冷需求。報(bào)道的最高精度為±0.05℃［6］。本文中的溫控對(duì)象為nLIGHT額定出光功率50W的半導(dǎo)體激光器，發(fā)熱效率約47%，最佳工作溫度25℃。采用TEC1-12710作為制冷片，TEC由大電流恒流源電路驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)7.5A［7］。采用分段積分的比例-積分-微分(proportion-integration-differentiation，PID)算法自動(dòng)調(diào)整控制量［6］，以高精度、線(xiàn)性可調(diào)節(jié)的恒流源驅(qū)動(dòng)TEC，完成對(duì)TEC制冷功率的精細(xì)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高精度溫控。

1 LD溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LD溫控在LD抽運(yùn)固態(tài)激光器中，屬于控制系統(tǒng)的一個(gè)部分。溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要由三部分構(gòu)成:第一部分由測(cè)溫電路、數(shù)/模(digital/analog，D/A)轉(zhuǎn)換電路和恒流源電路構(gòu)成，完成對(duì)LD的溫度的高精度測(cè)量，溫度傳感器為10kΩ熱敏電阻，裝置在LD激光器殼體內(nèi)，可以高精度測(cè)量LD內(nèi)部溫度，測(cè)量精度可達(dá)0.01℃;第二部分為控制核心數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing，DSP)F28335，由內(nèi)部自帶的12位A/D模塊完成對(duì)溫度信號(hào)的采集，和數(shù)據(jù)處理以及溫度控制;第三部分為DSP外設(shè)溫度預(yù)值電路，由鍵盤(pán)和液晶組成的人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定與顯示，RS232串口為保留的通信接口，與上位機(jī)通信。

Fig.1 Diagram of system structure

該溫控系統(tǒng)工作原理為:熱敏電阻將LD的溫度信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，放大濾波后送入A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到DSP。DSP對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分段積分的PID運(yùn)算處理后，輸出控制量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為合適控制電壓，調(diào)整恒流源電流大小，來(lái)控制TEC制冷量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制，并在液晶上實(shí)時(shí)顯示LD溫度值。由于TEC在制冷量恒定時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電流大小隨TEC冷熱端溫差的變化發(fā)生改變，為保證控制效果，系統(tǒng)需在TEC的制熱端安裝熱沉等有效的散熱裝置。圖1中，LCD(liquial crystal display)為液晶顯示器。

1．1 測(cè)溫電路

測(cè)溫電路如圖2所示，由恒壓源、不平衡電橋熱電阻測(cè)量電路和運(yùn)放器INA114組成。采用不平衡電橋測(cè)量電路可防止測(cè)量電路輸出負(fù)電壓，避免電壓變化幅度超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電壓范圍0V～3V而損壞DSP。采用恒壓源對(duì)熱敏電阻檢測(cè)電路供電的方式，是因?yàn)?0kΩ NTC在0℃ ～50℃溫度范圍內(nèi)變化時(shí)，其阻值變化范圍較大，約為28kΩ～4kΩ，可以消除導(dǎo)線(xiàn)自身隨溫度變化而引起電阻變化的影響，同時(shí)可以限制電壓過(guò)高而損壞運(yùn)放器。

Fig.2 Circuit of temperature measurement

恒壓源選用低噪聲高精度的ADR4550模塊，給電橋提供5V電壓，其最大初始誤差為±0.02%，長(zhǎng)期輸出電壓漂移低，有效提高測(cè)溫精度。電路中高精度儀表運(yùn)放INA114具有低輸入偏置電流，高共模抑制比，可以準(zhǔn)確放大電壓信號(hào)，滿(mǎn)足測(cè)量要求。

圖2中輸出電壓Vt與熱敏電阻Rt的關(guān)系為:

式中，K為儀表運(yùn)放增益。

由于DSP內(nèi)部A/D輸入電壓范圍為0V～3V，應(yīng)合理選擇電阻值，避免Vt超過(guò)轉(zhuǎn)換范圍;A/D輸入端口設(shè)計(jì)了限幅電路，防止電壓過(guò)高損壞DSP。系統(tǒng)設(shè)計(jì)R1=R2=100kΩ，R3=50kΩ;經(jīng)過(guò)計(jì)算電路正常測(cè)溫范圍為 -12℃ ～55℃，電路工作于 25℃時(shí)，Vt=1.33V滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1．2 TEC控制電路

由于溫控系統(tǒng)要求較大制冷功率，所以設(shè)計(jì)了大電流電路驅(qū)動(dòng)TEC，電流峰值達(dá)到7.5A，穩(wěn)態(tài)時(shí)約為6.5A，TEC最大制冷功率達(dá)到80W。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此控制電路可實(shí)現(xiàn)0.01A的高分辨率線(xiàn)性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)TEC制冷功率。

控制電路包括12位串行DAC7611構(gòu)成的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和恒流源電路兩部分［8］。其工作原理是由DAC7611將DSP輸出的控制量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)控制恒流源電流大小，來(lái)控制TEC的制冷量。

DAC7611屬于12位串行輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間快達(dá)7μs，無(wú)需額外提供參考電平，簡(jiǎn)化了電路，且其接口可直接匹配F28335芯片，方便設(shè)計(jì)。輸出電壓線(xiàn)性可調(diào)范圍為0V～4.095V，轉(zhuǎn)換誤差為±0.01V，滿(mǎn)足恒流源電路的控制精度要求。

恒流源電路主回路由穩(wěn)壓輸出的開(kāi)關(guān)電源、調(diào)整管Q1、TEC測(cè)流電阻Rs組成。調(diào)整管Q1為IRF1503，其導(dǎo)通電阻Rd僅為3.3mΩ，具有轉(zhuǎn)換速度快的特點(diǎn)。測(cè)流電阻PBV-R010的阻值較小，需對(duì)測(cè)得電壓進(jìn)行高倍放大。R7，R8，R9和R10均為高精度電阻，以提高精度。比例-積分電路中運(yùn)放LM7171為高速運(yùn)放，匹配電路實(shí)時(shí)快速調(diào)整的要求。恒流源電路如圖3所示。

Fig.3 Circuit of constant current source

圖3 中TEC驅(qū)動(dòng)電流與控制電壓的關(guān)系為:

式中，R7=R8，R9=R10，Vc為 DAC 輸出的控制電壓，I為T(mén)EC驅(qū)動(dòng)電流。

恒流源電路工作原理是:測(cè)流電阻將電流值轉(zhuǎn)化成電壓值，經(jīng)過(guò)OP37放大，與數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出的控制電壓Vc進(jìn)行比較，通過(guò)比例-積分電路構(gòu)成反饋電路輸出調(diào)整電壓，控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度來(lái)調(diào)整主回路電流，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的恒流輸出。

1．3 人機(jī)接口

系統(tǒng)用按鍵控制電路，可直接設(shè)置溫控目標(biāo)溫度;LCD實(shí)時(shí)顯示設(shè)定溫度和實(shí)測(cè)LD溫度，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。上位機(jī)可通過(guò)RS232串口與溫控系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)溫控的智能和遠(yuǎn)程控制。

2 程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖4所示，系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為相互獨(dú)立的模塊，因此明確每個(gè)模塊的工作，只要設(shè)計(jì)好與其它模塊的接口，就不會(huì)受到其它模塊的干擾，便于設(shè)計(jì)復(fù)雜的程序。

Fig.4 Program flow chart

主要包括系統(tǒng)初始化、中斷服務(wù)程序、串口通信程序、按鍵掃描程序、液晶顯示刷新程序、數(shù)據(jù)處理程序、PID算法實(shí)現(xiàn)等。數(shù)據(jù)處理程序主要是包括對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波、平均、計(jì)算，得到準(zhǔn)確溫度值，經(jīng)過(guò)分段積分的PID算法處理，輸出控制量。

2．1 PID 算法

PID算法因其算法簡(jiǎn)單、可靠性高，而廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制和溫度控制中。離散的PID表達(dá)式如下:

式中，e(k)為第k次采樣的偏差值，e(k-1)為第k-1次的采樣偏差值，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。

在大功率LD溫控系統(tǒng)中，由于LD制熱量較大，為防止出現(xiàn)溫度失調(diào)的情況，此系統(tǒng)選擇改進(jìn)的分段積分的PID算法［9］。即對(duì)于不同的溫度區(qū)間，采取不同的積分值，實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)整速度，達(dá)到安全、快速穩(wěn)定的目的。具體分段情況如下式:

式中，u(k)max為最大調(diào)節(jié)量，i1和i2為兩個(gè)具體的積分系數(shù)值，e0和e1為溫度偏差值。

在實(shí)際控制中，e0和e1是與目標(biāo)溫度的差值，分別取1和0．5;u(k)max由硬件電路確定。在自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，PID積分項(xiàng)可能會(huì)累積較大的調(diào)節(jié)量，影響溫控速度，所以程序在每次溫控開(kāi)始前對(duì)積分量清零。

2．2 PID參量調(diào)節(jié)

作者選擇4∶1衰減法對(duì)PID參量進(jìn)行整定，其基本原理是先把積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到0。待調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小比例度，觀(guān)察輸出電壓(電流)和調(diào)節(jié)過(guò)程的波動(dòng)情況，直到出現(xiàn)4∶1衰減過(guò)程為止。記錄4∶1衰減比例度和操作周期，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，求得調(diào)節(jié)器各個(gè)參量的具體數(shù)值［10-11］。再結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微調(diào)，得到較理想控制效果，實(shí)驗(yàn)參量為:Kp=4500，i1=0．4，i2=1，Kd=500。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在5℃ ～26℃的環(huán)境下對(duì)該溫控系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定工作。LD開(kāi)啟關(guān)閉全過(guò)程的溫控動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)如圖5所示。

由圖5可知，LD啟動(dòng)時(shí)電流是一個(gè)緩慢上升的過(guò)程，關(guān)閉時(shí)緩慢下降;額定工作電流7.5A，此時(shí)出光功率為50W，發(fā)熱功率約為45W，溫度穩(wěn)定于25℃。開(kāi)啟時(shí)溫度在LD達(dá)到額定工作狀態(tài)后迅速穩(wěn)定下來(lái)，TEC在LD關(guān)閉后停止制冷，溫度緩慢降至室溫。LD開(kāi)關(guān)全過(guò)程中，溫度在室溫與目標(biāo)溫度間正常波動(dòng)。解決了開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)溫度失調(diào)的問(wèn)題。

改變?cè)O(shè)定溫度值時(shí)，系統(tǒng)溫控情況如圖6所示。

Fig.5 Overall process of temperature control

Fig.6 Different temperature control

圖6a中的設(shè)定溫度值為17℃，圖6b中的設(shè)定溫度值為40℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)溫控范圍達(dá)到15℃ ～45℃。系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作時(shí)的溫度穩(wěn)態(tài)曲線(xiàn)如圖7所示。

Fig.7 Stable temperature control

溫控系統(tǒng)進(jìn)行了6h以上的測(cè)試，結(jié)果表明，LD溫度長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在±0.02℃的范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)LD電流發(fā)生變化，即改變LD發(fā)熱功率時(shí)，實(shí)測(cè)溫度曲線(xiàn)如圖8所示。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的自調(diào)節(jié)能力，在發(fā)熱功率發(fā)生變化時(shí)，迅速調(diào)整TEC制冷功率，可在2min內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。該溫控系統(tǒng)在發(fā)熱功率為1W～60W的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)±0.02℃的溫控。

Fig.8 Temperature control with the change of different current

4 結(jié)論

系統(tǒng)采用DSP F28335作為控制核心，配合高精度的測(cè)溫電路，采用分段積分的PID控制算法，使用大電流恒流源電路驅(qū)動(dòng)TEC，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大功率LD的高精度智能溫控。DSP豐富的外設(shè)端口及串口通信功能，使該溫控系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和兼容性。該溫控系統(tǒng)為額定功率60W以下的LD，提供了一種高精度的溫控方案，可應(yīng)用于LD抽運(yùn)的固態(tài)激光器等工業(yè)場(chǎng)景。

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