雙通道半導(dǎo)體激光電源控制技術(shù)

金文東，李迎新，楊基春，穆志明，王 晗

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津300192)

1 引言

激光技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了半導(dǎo)體激光器在光纖通信、高速打印、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指示及各種醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域的應(yīng)用。在激光醫(yī)學(xué)的應(yīng)用中，單一波段的激光已不能滿足需求，有時(shí)需要多波段激光進(jìn)行聯(lián)合治療。例如，635 nm激光具有鎮(zhèn)痛、抑制破骨細(xì)胞吸收和促進(jìn)傷口愈合的作用［1－2］;808 nm弱激光具有抑制細(xì)胞增生，促進(jìn)傷口愈合的作用［3－4］;而635 nm/808 nm雙波長聯(lián)合治療能更有效地促進(jìn)傷口的愈合［5］。

激光的輸出參數(shù)如激光波長、功率大小和照射時(shí)間直接影響治療效果［6］。半導(dǎo)體激光器的諸多輸出參數(shù)都與溫度和驅(qū)動(dòng)電流有關(guān)［7－8］。如輸出功率不僅取決于驅(qū)動(dòng)電流的大小，而且受溫度的影響;其輸出波長和驅(qū)動(dòng)電流及溫度有關(guān)，對(duì)多數(shù)半導(dǎo)體激光器來說，其波長隨注入電流的增加而增加，變化的典型值為0．025 nm/mA［9］，此外，當(dāng)半導(dǎo)體激光器內(nèi)部溫度增加時(shí)，輸出波長也隨之增加［10］，其變化的典型值為0．3～0．4 nm/℃［11］。為了得到穩(wěn)定的輸出功率和波長，需對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行精確控制，而環(huán)境溫度的變化以及器件運(yùn)行時(shí)發(fā)熱都會(huì)導(dǎo)致激光器的溫度變化，其中，808 nm半導(dǎo)體激光器的制造技術(shù)已經(jīng)成熟，只需要用散熱片和風(fēng)冷就行，而635 nm激光器因?yàn)樵诠に嚿系膯栴}，對(duì)溫度非常敏感，要求將溫度穩(wěn)定性控制在1℃以內(nèi)。因此，本文提出采用高精度AD和DA轉(zhuǎn)換模塊控制恒流源驅(qū)動(dòng)電路，在溫度控制方面，則采用專家智能硬件PID控制方式控制半導(dǎo)體制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)，達(dá)到對(duì)其溫度的準(zhǔn)確控制。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，控制部分主要由恒流驅(qū)動(dòng)控制模塊和溫度控制模塊組成，并由交互界面(Interaction Interface)通過單片機(jī)(Single Chip Microcomputer，MCS)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)顯示。交互界面通過RS232串口控制單片機(jī)發(fā)送控制指令，以及接收從單片機(jī)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，對(duì)激光器電流、功率和溫度等信號(hào)進(jìn)行控制及實(shí)時(shí)顯示。單片機(jī)根據(jù)接收到的上位機(jī)指令通過DA控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流，恒流驅(qū)動(dòng)電路通過AD將電流值反饋給單片機(jī)。溫度傳感器實(shí)時(shí)反饋激光器的溫度信息，以此判斷TEC進(jìn)行制冷或是制熱，來實(shí)現(xiàn)激光器的恒溫控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 Structure diagram of the system

3 恒流源驅(qū)動(dòng)控制

激光器需由電流源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，808 nm和635 nm通道恒流源驅(qū)動(dòng)由鑰匙開關(guān)和單片機(jī)控制繼電器與三級(jí)管使能驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流的大小由單片機(jī)進(jìn)行控制。808 nm通道電流驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。單片機(jī)AT89S4051控制12位DA輸出控制電壓VOUTA，VOUTA通過運(yùn)放U7B比例放大，與運(yùn)放U7A、精密電阻U8和穩(wěn)壓器U9構(gòu)成負(fù)反饋控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)808 nm通道激光的電流大小的閉環(huán)控制。此外，精密電阻U8作為采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)電壓跟隨器U7D和運(yùn)放U7C比例放大得到電壓VCH0。VCH0通過12位AD，向單片機(jī)實(shí)時(shí)反饋808 nm通道的驅(qū)動(dòng)電流值。其中控制電壓VOUTA和反饋電壓VCH0，都與驅(qū)動(dòng)電流呈線性關(guān)系。635 nm通道采用的電流驅(qū)動(dòng)電路的原理與808 nm通道相同。

圖2 808 nm恒流驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig．2 Constant current drive circuit principle diagram of 808nm

驅(qū)動(dòng)電路的電流調(diào)節(jié)范圍由電位器R12和R15的阻值大小控制，當(dāng)調(diào)節(jié)電流驅(qū)動(dòng)電路中的電位器使得808 nm和635 nm通道的電流調(diào)節(jié)范圍分別為0～3 A和0～1 A時(shí)，808 nm和635 nm通道電流分辨率分別為0．73 mA和0．24 mA。

4 溫度控制系統(tǒng)

常用的溫度傳感器有雙金屬片熱電偶、熱敏電阻器、鉑電阻、感溫鐵氧體等，其中負(fù)溫度系數(shù)(Negative Temperature Coefficient，NTC)熱敏電阻具有價(jià)格低廉、精度較高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)［12］，故采用NTC熱敏電阻(10 K@25℃)作為溫度傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集。

半導(dǎo)體激光器采用熱敏電阻作為傳感器，一般多采用電橋法和電壓源法進(jìn)行溫度采集。橋式電路采用的電阻較多，且可調(diào)電阻的精度和溫度系數(shù)指標(biāo)較低，因此溫度控制精度不高;電壓源法由于電壓源常常容易受到噪聲的干擾，導(dǎo)致電壓源自身的電壓不準(zhǔn)，從而造成溫度采樣電壓不準(zhǔn)，對(duì)溫度的計(jì)算帶來誤差［13］。如圖3所示，本系統(tǒng)將DA和AD的參考電壓VREF作為電壓源法的電壓源，通過將熱敏電阻的分壓值VCH2經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化，實(shí)時(shí)顯示激光器溫度，有效解決了電壓源采樣電壓不準(zhǔn)的問題。此外，上述溫度采樣電路的采樣電壓VCH2與VOUTC經(jīng)精密儀表放大器U15差分放大，構(gòu)成了以參考電壓VREF作為電壓源的H橋測(cè)溫電路［14］。差分放大后的信號(hào)低通濾波后，經(jīng)運(yùn)放U16B進(jìn)一步放大后進(jìn)入比例積分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)補(bǔ)償電路。其中VOUTC由單片機(jī)控制12位DA輸出控制，用于設(shè)置激光器工作溫度。與傳統(tǒng)的H橋測(cè)溫電路相比，VOUTC由單片機(jī)控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)橋式測(cè)溫電路中橋臂上兩個(gè)固定電阻的分壓值，不僅使得工作溫度的設(shè)置更加簡便，而且結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的溫控精度。

圖3 溫度采樣電路Fig．3 Temperature sampling circuit

PID調(diào)節(jié)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常見而典型的控制策略，其中模擬式PID是基本的實(shí)現(xiàn)手段與方式。本系統(tǒng)采用專家智能硬件PID調(diào)節(jié)電路控制TEC對(duì)激光器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，控制電路如圖4所示。PID控制由積分環(huán)節(jié)、比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)三個(gè)部分組成，通過對(duì)積分、比例和微分參數(shù)的合理選擇，可以達(dá)到最佳的綜合控制效果。其中，R34和C14控制積分時(shí)間常數(shù);R37和R38控制比例系數(shù);C15、R42和R43控制微分時(shí)間常數(shù);R36、R39、R44、R45和U17D組成加法器將積分、比例和微分環(huán)節(jié)的作用疊加起來以實(shí)現(xiàn)PID控制，通過穩(wěn)壓器U18來實(shí)現(xiàn)TEC對(duì)激光器進(jìn)行制冷或制熱;C16能增加控制電路的穩(wěn)定性。

如圖3和圖4所示，該電路利用溫差作為調(diào)節(jié)參考點(diǎn)，即熱敏電阻分壓值與溫度設(shè)定電壓值差值ΔU(即VCH2－VOUTC)大于0．0025 V或小于－0．0075 V時(shí)，運(yùn)算放大器U16B運(yùn)放飽和，消除了PID控制器的微分環(huán)節(jié)的作用，此時(shí)對(duì)激光器溫度進(jìn)行PI控制;當(dāng)ΔU大于－0．0075 V且小于0．0025 V時(shí)，運(yùn)算放大器U16B正常工作，對(duì)激光器溫度則進(jìn)行PID控制。利用這種調(diào)節(jié)手段，使得系統(tǒng)硬件PID控制在兩種工作方式下自動(dòng)轉(zhuǎn)換，即溫差約大于0．5℃時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，以消除穩(wěn)態(tài)誤差;當(dāng)溫差調(diào)節(jié)到0．5℃以內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)化成PID補(bǔ)償回路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，以防止過沖或超調(diào)。系統(tǒng)溫控精度可達(dá)到0．1℃。

圖4 PID控制電路Fig．4 PID control circuit

5 應(yīng)用測(cè)試

為檢測(cè)上述雙通道半導(dǎo)體激光器電源控制系統(tǒng)的性能，用某公司生產(chǎn)的雙波長激光模塊對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)環(huán)境溫度為室溫23℃，激光模塊工作溫度設(shè)置為25℃。

5．1 激光功率穩(wěn)定度

分別設(shè)定808 nm通道和635 nm通道的電流值為2200 mA和640 mA，用功率計(jì)對(duì)10 min內(nèi)的激光功率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)分別如圖5(a)和5(b)所示。

圖5 808 nm和635 nm激光功率隨時(shí)間變化曲線Fig．5 Power curves of 808 nm and 635 nm laser

808 nm激光0～6 min在風(fēng)冷的作用下達(dá)到工作溫度，激光功率緩慢增大;6～10 min溫度趨于穩(wěn)定，激光功率也趨于穩(wěn)定。635 nm激光0～3 min在TEC的作用下達(dá)到工作溫度，激光功率緩慢增大;3～10 min溫度趨于穩(wěn)定，激光功率也趨于穩(wěn)定。此外，在10 min的持續(xù)測(cè)量時(shí)間內(nèi)，808 nm通道的功率最大值和最小值分別為1．45 W和1．35 W，功率不穩(wěn)定度為1．805%;635 nm通道的功率最大值和最小值分別為413 mW和388 mW，功率不穩(wěn)定度為1．233%。

5．2 激光波長及P/I特性曲線

用光譜儀對(duì)808 nm通道(設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流為500 mA時(shí))和635 nm通道(設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流為550 mA時(shí))的激光波長光譜進(jìn)行測(cè)量，分別得到如圖6(a)和6(b)所示的光譜圖，測(cè)得中心波長分別為806．7 nm和634．3 nm。用光譜儀測(cè)量不同驅(qū)動(dòng)電流(100～600 mA)下635 nm通道的激光波長，結(jié)果如圖7所示，不同驅(qū)動(dòng)電流下激光峰值波長變化小于等于2 nm，即激光波長隨驅(qū)動(dòng)電流的變化很小。

圖6 808 nm和635 nm通道的光譜圖Fig．6 Spectrum of 808 nm and 635 nm channel

圖7 635 nm通道峰值波長隨驅(qū)動(dòng)電流的變化Fig．7 Peak wavelength of 635 nm channel along with the change of drive current

用功率計(jì)分別對(duì)808 nm通道和635 nm通道在不同設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流下的功率進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其進(jìn)行線性擬合，得到P/I特性曲線如圖8所示，兩個(gè)通道線性擬合的Adj．R－Square值都大于0．998。

圖8 808 nm和635 nm激光的功率電流特性曲線及其線性擬合曲線Fig．8 Power current characteristic curve and linear curve fitting of 808 nm and 635 nm

6 結(jié)論

本文研制的808 nm/635 nm雙通道半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源，主要由恒流源驅(qū)動(dòng)和溫控電路兩部分組成。恒流驅(qū)動(dòng)由運(yùn)算放大器、精密電阻及穩(wěn)壓器等形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定和低紋波系數(shù)的電流源。驅(qū)動(dòng)電流與控制電壓呈線性關(guān)系，通過改變驅(qū)動(dòng)電路中的電阻參數(shù)可以控制驅(qū)動(dòng)電流的范圍。溫控電路采用硬件智能PID精確控制TEC進(jìn)行制冷制熱，該方式與數(shù)字PID相比具有響應(yīng)速度快、不受采樣精度影響的優(yōu)點(diǎn)，適合實(shí)時(shí)性要求高的場合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電源下的激光器不僅輸出功率和波長穩(wěn)定性好，而且功率－電流特征曲線的線性擬合度也很高，其輸出參數(shù)達(dá)到醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)要求。

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