大功率半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔國(guó)棟，呂偉強(qiáng)，鄭 毅

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100015)

1 引言

溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器二極管的波長(zhǎng)、使用壽命和輸出功率都有很大的影響。所以，必須給激光二極管提供恒定而且能夠精密調(diào)整的工作溫度，才能保證激光二極管穩(wěn)定工作。傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制，采用傳統(tǒng)的PID算法實(shí)現(xiàn)，其功率一般偏小，而已有的大功率溫度控制系統(tǒng)存在控溫時(shí)間長(zhǎng)、精度低等問(wèn)題，無(wú)法滿足大功率半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度的要求。鑒于以上原因，采用C8051F021單片機(jī)，改進(jìn)PID算法，優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)，滿足了大功率半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度控制的要求［1－3］。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

激光器溫度控制系統(tǒng)的硬件電路整體框圖如圖1所示。溫度采樣電路將LD的實(shí)際溫度值送給單片機(jī)C8051F021，單片機(jī)將此溫度值與設(shè)置溫度值經(jīng)PID計(jì)算后轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離，由IRF2184驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體致冷器TEC加熱或制冷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LD的恒定溫度控制，圖中PVDD為TEC供電電壓，本文中該電壓為72 V。

溫度傳感電路采用熱敏電阻采樣溫度，其靈敏度高，體積小，阻值變化與溫度呈反比。為了提高溫度采樣精度，本電路采用穩(wěn)流源REF200，其提供穩(wěn)定電流100μA±0.5%，采樣電壓送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量，計(jì)算出熱敏電阻阻值，在單片機(jī)中查找廠家提供的表格，可以得到當(dāng)前TEC溫度。單片機(jī)的A/D分辨率為10位，經(jīng)測(cè)量，溫度精度可達(dá)到±0.1℃。

圖1 溫度控制系統(tǒng)的硬件電路整體框圖

TEC驅(qū)動(dòng)電路采用的是自舉式驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)芯片采用的是IRF2184，其自帶500 ns的死區(qū)時(shí)間，提供的門極驅(qū)動(dòng)電壓為14 V。TEC的額定工作電壓為24 V，功率為250 W，試驗(yàn)中需要兩片TEC串聯(lián)使用。此外，采用PWM方式驅(qū)動(dòng)TEC，要保證TEC正常工作，紋波電壓必須小于10%，所以在輸出端采用LC濾波器［4］，LC參數(shù)值計(jì)算公式為:

式中，R為負(fù)載內(nèi)阻;Fc為截止頻率。

由于PWM電路具有很高的頻率和很高的瞬態(tài)功率，存在較為嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾，如果濾波處理不當(dāng)，尖峰電流和沖擊噪聲會(huì)損壞MOS管，在電源腳處加220μF電容濾掉低頻干擾，加2.2μF電容濾掉高頻干擾。

2.2 溫度控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種普遍采用的控制方法［5］。這里對(duì)數(shù)字PID算法進(jìn)行改進(jìn)后的表達(dá)式為:

式中，k為采樣序號(hào)，k=1，2，…;e(k－1)和e(k)分別為第(k－1)和第k時(shí)刻所得的偏差信號(hào);u(k)為全量輸出;a為溫度范圍，溫度超過(guò)此范圍時(shí)全脈寬輸出。從式(1)可看出，該算法并沒(méi)在全溫度范圍內(nèi)都采用PID算法，而是在溫度偏離設(shè)置溫度較大時(shí)，采用全脈寬制冷或加熱，此時(shí)輸出功率最大，可以迅速減小溫差。當(dāng)采樣溫度接近設(shè)置溫度時(shí)，采用PID調(diào)節(jié)，比例環(huán)節(jié)可以控制調(diào)節(jié)速度，積分環(huán)節(jié)可以消除靜差，提高精度，微分環(huán)節(jié)可以降低溫度瞬間變化對(duì)輸出結(jié)果的影響。圖2為改進(jìn)后PID算法子程序流程圖。

圖2 改進(jìn)后PID算法子程序流程圖

當(dāng)算法中引進(jìn)積分量后，如果溫差過(guò)大，加上溫度的滯后性，很容易造成積分項(xiàng)累計(jì)過(guò)大，溫度穩(wěn)定需要的時(shí)間延長(zhǎng)。這里給積分項(xiàng)設(shè)定兩個(gè)極限值，可以減少上面原因造成溫度穩(wěn)定需要的時(shí)間。同時(shí)，算法中加入溫度采樣濾波程序，排除干擾造成的溫度抖動(dòng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)條件為室溫環(huán)境，工作頻率為28.8 kHz，最大占空比設(shè)置為72%，最小占空比設(shè)置為18%，設(shè)置控溫溫度為20℃，判斷到溫依據(jù)為是否控溫到(20±1)℃內(nèi)，負(fù)載熱量模擬LED工作時(shí)釋放的熱量，采用加熱陶瓷片模擬LED，最大負(fù)載熱量是指系統(tǒng)能控溫到設(shè)置溫度附加的最大負(fù)載熱量。試驗(yàn)中熱源最大輸出熱量為102.65 W，滿足LED工作釋放的熱量要求，表中“——”表明負(fù)載熱量為102.65 W時(shí)，系統(tǒng)能正常控溫到設(shè)置溫度。表1為溫度控制系統(tǒng)在不同溫度下控溫到20℃需要的時(shí)間和最大負(fù)載熱量。表1中數(shù)據(jù)說(shuō)明該溫控系統(tǒng)在60℃以上，效率會(huì)降低很多，最大輸出功率可達(dá)到480 W，控溫精度達(dá)到±0.1℃。

表1 在不同環(huán)境溫度下溫度控制系統(tǒng)控溫到20℃需要的時(shí)間和最大負(fù)載熱量

圖3所示為MOS管兩端電壓互補(bǔ)，開(kāi)通和關(guān)斷間死區(qū)時(shí)間大約為500 ns，圖4為達(dá)到設(shè)置溫度后流過(guò)TEC的電流波形，同時(shí)顯示電流根據(jù)溫度變化實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

圖3 MOS管開(kāi)通和關(guān)斷間的死區(qū)時(shí)間

圖4 控溫系統(tǒng)穩(wěn)定后流過(guò)TEC的電流波形

圖5 中豎軸代表溫度，橫軸代表時(shí)間(以10 s為一個(gè)單位，圖中2代表20 s)。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)的工作條件為:LD環(huán)境為30℃，設(shè)置溫度為20℃，開(kāi)啟溫控，由圖可看出LD穩(wěn)定到20℃時(shí)需要40 s，最大超調(diào)為－1.1℃，控溫精度達(dá)到±0.1℃，在70 s時(shí)給LD突加102.65 W的熱源，可見(jiàn)溫度最大偏離0.7℃，隨后經(jīng)過(guò)30 s，溫度再次達(dá)到20℃。

圖5 溫度變化曲線圖

在實(shí)驗(yàn)中加入了電壓和電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電壓故障和電流故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉電源，快速有效地保護(hù)了電源系統(tǒng)。如圖6所示溫度控制系統(tǒng)模塊化，方便插拔維修。同時(shí)將電路板單獨(dú)置于－40～55℃的環(huán)境下，重新做上面的試驗(yàn)，結(jié)果顯示電路板在要求的溫度范圍內(nèi)可以正常工作，而且滿足各項(xiàng)指標(biāo)。

圖6 模塊化的控溫系統(tǒng)板

4 總結(jié)

本文基于C8051F021單片機(jī)，改進(jìn)PID控制算法，建立大功率半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)。試驗(yàn)表明:該電路可以快速有效地對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作溫度進(jìn)行控制，控溫精度可達(dá)±0.1℃，使其工作在設(shè)置的穩(wěn)定環(huán)境下，有效地保證激光器的安全和發(fā)射波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。

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