帶有雙路TEC溫控的功率可調(diào)DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100036)

0 引言

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，DFB激光器因其光束質(zhì)量高、譜線寬度窄，在國(guó)防、工業(yè)、生物、醫(yī)學(xué)和通信等很多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用[1]。然而，由于激光器功率密度高、溫度敏感度強(qiáng)，其發(fā)射譜線漂移、倍頻晶體的相位匹配等對(duì)環(huán)境溫度十分敏感[2]。想要推進(jìn)半導(dǎo)體激光器在各個(gè)行業(yè)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用，需設(shè)計(jì)性能優(yōu)秀的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)[3]。針對(duì)激光器驅(qū)動(dòng)電源高精度溫控系統(tǒng)性能和激光器功率控制要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種以STM32為控制核心的DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源。該電源具有雙路TEC分別對(duì)激光器泵浦和晶體進(jìn)行溫度控制，并利用壓控恒流源控制激光器驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)帶有雙路TEC溫控的功率可調(diào)DFB激光器驅(qū)動(dòng)控制功能。無(wú)論是從激光器驅(qū)動(dòng)性能提高，還是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性，都有十分重要的意義。

1 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)原理

DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 DFB驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)原理圖

驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)主要包括：STM32控制核心、電源電路、溫度采樣電路、光功率采樣電路、DA輸出電路、TEC驅(qū)動(dòng)電路、LD驅(qū)動(dòng)電路和RS485串口通訊電路等主要部分組成。

由于STM32具有豐富外設(shè)接口，浮點(diǎn)型運(yùn)算可進(jìn)一步提高運(yùn)算效率與精度[4]。因此，系統(tǒng)選用STM32為核心處理器，實(shí)現(xiàn)DFB驅(qū)動(dòng)電源數(shù)據(jù)采樣、控制運(yùn)算與輸出調(diào)節(jié)。

常見(jiàn)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)工作模式有兩種[5]，一種是恒電流工作模式，另一種是恒功率模式。恒電流模式下，驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)設(shè)定LD驅(qū)動(dòng)電流值，并對(duì)LD驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行采樣，調(diào)節(jié)輸出電流值以達(dá)到電流恒定；恒功率模式下，驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)光功率采樣電路，采集泵浦實(shí)際發(fā)光功率，調(diào)節(jié)LD驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)恒功率控制。

兩工作模式下，驅(qū)動(dòng)電源均可控制激光器內(nèi)部晶體和泵浦TEC電流，維持晶體和泵浦內(nèi)部溫度穩(wěn)定。

晶體和泵浦TEC以及激光器泵浦驅(qū)動(dòng)電路均為壓控恒流源模塊。STM32控制核心通過(guò)SPI接口，控制DA芯片實(shí)現(xiàn)雙路TEC及LD驅(qū)動(dòng)模塊控制電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)激光器工作點(diǎn)穩(wěn)定。此外，系統(tǒng)具有RS485串口通訊電路，用以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源遠(yuǎn)程控制和參數(shù)調(diào)節(jié)。

1.1 溫度控制原理

DFB激光器內(nèi)部設(shè)有雙路TEC，分別實(shí)現(xiàn)激光器晶體與泵浦的溫度控制。TEC是一種能夠同時(shí)進(jìn)行制冷和加熱的半導(dǎo)體器件，根據(jù)帕爾帖(Peltier)效應(yīng)[6]，當(dāng)TEC流過(guò)單向電流時(shí)，它的一面制冷，而另外一面發(fā)熱；若電流反向，則冷熱面互換[7]。TEC發(fā)熱/制冷量與電流大小有關(guān)，可通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流大小，實(shí)現(xiàn)恒溫控制。

晶體與泵浦內(nèi)部均放置熱敏電阻，采集阻值變化實(shí)現(xiàn)各組件的溫度采樣。核心處理器比對(duì)溫度設(shè)定值與采樣值，對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)TEC進(jìn)行制冷或加熱，達(dá)到溫度恒定控制效果，雙路溫控系統(tǒng)相互獨(dú)立，原理相同如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)原理圖

1.2 恒功率控制原理

DFB激光器內(nèi)部設(shè)計(jì)有光敏二極管，能夠產(chǎn)生與激光器光強(qiáng)大小成線性的受激電流，受激電流大小表征激光器泵浦發(fā)光功率[8]。

激光器驅(qū)動(dòng)電源根據(jù)應(yīng)用需要，可進(jìn)行十檔功率設(shè)置。核心控制器通過(guò)比較功率設(shè)定值與泵浦實(shí)際功率值，構(gòu)成發(fā)光功率閉環(huán)，利用增強(qiáng)型PI控制方法，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電源供給LD驅(qū)動(dòng)電流大小，實(shí)現(xiàn)激光器泵浦恒功率控制。

為采集激光器泵浦發(fā)光功率，對(duì)光敏二極管受激電流進(jìn)行采樣。該受激電流流過(guò)光功率采樣電路中的精密采樣電阻后，經(jīng)運(yùn)放調(diào)理電路接入核心處理器，通過(guò)AD采樣得到激光器發(fā)光功率。核心處理器根據(jù)發(fā)光功率進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算，調(diào)節(jié)LD驅(qū)動(dòng)模塊的輸出電流，達(dá)到激光器功率恒定，控制原理如圖3所示。

圖3 恒功率控制原理圖

2 驅(qū)動(dòng)電源硬件設(shè)計(jì)

2.1 TEC驅(qū)動(dòng)電路

TEC利用半導(dǎo)體材料珀?duì)柼?yīng)制成，通過(guò)控制流經(jīng)TEC的電流方向與大小，可實(shí)現(xiàn)TEC制冷、加熱及制冷發(fā)熱量控制。由于TEC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，在激光器溫控領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[9]。

由于DFB激光器內(nèi)部集成有兩路TEC，對(duì)應(yīng)于激光器內(nèi)部晶體與泵浦溫度控制。因此，驅(qū)動(dòng)電源需要提供兩路TEC驅(qū)動(dòng)，獨(dú)立進(jìn)行晶體和泵浦TEC驅(qū)動(dòng)控制。

兩路TEC參數(shù)相同如下：TEC最大電壓均為5 V，其允許通過(guò)的最大電流為3.5 A，最高控制溫度可達(dá)60℃，滿足激光器25℃理想工作溫度要求。

針對(duì)兩路TEC電氣指標(biāo)，選用鞍山核心電子公司的TEC專用驅(qū)動(dòng)模塊TEC-5V-4A-D，該模塊輸入電壓5 V，最大輸出電流為4 A，體積小、效率可達(dá)90%，可靠性高，符合TEC驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。TEC驅(qū)動(dòng)模塊及引腳如圖4所示，該模塊控制電路如圖5。

圖4 TEC驅(qū)動(dòng)模塊及引腳圖

圖5 TEC驅(qū)動(dòng)模塊控制電路圖

控制核心通過(guò)設(shè)定TEMPSP引腳電壓，設(shè)定驅(qū)動(dòng)模塊當(dāng)前控制溫度的指令值。該引腳電壓與2腳參考電壓比例決定TEC驅(qū)動(dòng)設(shè)定溫度，對(duì)應(yīng)范圍為0～100%對(duì)應(yīng)15～50℃。

電阻Rp1、Rd1、Ri1及電容Ci1、Cd1形成外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)根據(jù)不同TEC進(jìn)行整定，實(shí)現(xiàn)TEC電流快速穩(wěn)定響應(yīng)。

驅(qū)動(dòng)模塊與激光器內(nèi)部?jī)蔁崦綦娮柘噙B，熱敏電阻是一種對(duì)溫度十分敏感的器件，通常由一些金屬氧化物高溫?zé)Y(jié)而成，一般制成珠狀、片狀及杠狀等各種形狀[10]。內(nèi)部集成負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，該電阻25℃下阻值10 K，10℃時(shí)阻值約為20 K，40℃時(shí)阻值急劇下降到5 K，溫度感應(yīng)敏感，精度較高。通常，熱敏電阻的溫度—阻值關(guān)系可以用經(jīng)驗(yàn)公式[11]表征為：

其中:RT為溫度為T時(shí)的阻值，A為與熱敏電阻材料結(jié)構(gòu)相關(guān)的具有電阻量綱的參數(shù)，β為熱敏電阻固有阻值系數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)熱敏電阻當(dāng)前阻值，根據(jù)電阻阻值表及β值，得到激光器內(nèi)各部位溫度，實(shí)現(xiàn)激光器內(nèi)部溫度檢測(cè)?？刂破鞅葘?duì)溫度設(shè)定值與實(shí)際反饋值，對(duì)TEC進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輸出控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒溫控制。

2.2 LD驅(qū)動(dòng)電路

LD泵浦源需驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生恒流源，且輸出穩(wěn)定無(wú)浪涌電流。

設(shè)計(jì)電源驅(qū)動(dòng)的激光器所需電流0～1.5 A連續(xù)可調(diào)，LD端電壓0～2.4 V，選用ATLS1.5A104D驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行LD控制。

ATLS1.5A104D為ADI公司LD驅(qū)動(dòng)專用模塊，該模塊滿幅時(shí)輸出電流噪聲小于0.95 μA，電流階躍響應(yīng)時(shí)間小于200 nS，具有良好輸出穩(wěn)定性與快速性。外部DAC取內(nèi)部參考基準(zhǔn)電壓，并給定電流設(shè)定引腳，調(diào)節(jié)模塊驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)模塊及引腳如圖6所示。

圖6 LD驅(qū)動(dòng)模塊及引腳圖

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊外圍電路如圖7所示。

圖7 LD驅(qū)動(dòng)模塊控制電路圖

通過(guò)設(shè)定LD驅(qū)動(dòng)模塊LIMS及LIM引腳電壓，分別設(shè)定當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電流限值與輸出值。其中，LIMS引腳電壓可對(duì)LD驅(qū)動(dòng)模塊最大輸出電流進(jìn)行限制，LD驅(qū)動(dòng)輸出電流不大于該引腳設(shè)定的最大值，從而為激光器泵浦提供過(guò)流保護(hù)功能，LIM引腳為L(zhǎng)D驅(qū)動(dòng)模塊輸出電流進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定電壓0～2.5 V線性對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)電流0～I(xiàn)MAX，其中IMAX為L(zhǎng)IMS腳設(shè)定的最大輸出電流值。

SBDN腳為驅(qū)動(dòng)模塊工作模式設(shè)定腳，電阻R47、R48、R49為工作模式設(shè)定電路，通過(guò)控制器I/O引腳不同輸出狀態(tài)，調(diào)整分壓情況以改變?cè)撃_電壓值，可進(jìn)行停止、待機(jī)與工作三種工作模式切換。

驅(qū)動(dòng)模塊具有輸出電流反饋引腳LIO，該引腳實(shí)時(shí)反饋驅(qū)動(dòng)模塊輸出的驅(qū)動(dòng)電流大小，反饋對(duì)應(yīng)關(guān)系為0～2.5 V對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)電流0～I(xiàn)MAX。STM32控制核心通過(guò)AD采樣得到LIO腳電壓，解算出LD驅(qū)動(dòng)輸出電流，根據(jù)該驅(qū)動(dòng)電流反饋，調(diào)整驅(qū)動(dòng)模塊LIM電流設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)LD工作電流與功率的連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

2.3 溫度與光功率采樣電路

溫度采樣利用TEC驅(qū)動(dòng)模塊及調(diào)理電路進(jìn)行。TEC驅(qū)動(dòng)模塊除具有工作溫度設(shè)定腳外，還提供溫度反饋量引腳TEMP，該引腳輸出的電壓信號(hào)，表征當(dāng)前熱敏電阻阻值下的溫度值，線性對(duì)應(yīng)關(guān)系為0～5 V對(duì)應(yīng)15～35 ℃。

光功率采樣則是利用激光器泵浦光敏二極管進(jìn)行。為獲取激光器泵浦實(shí)際功率，激光器內(nèi)部LD光源旁置有小棱鏡，對(duì)光源進(jìn)行衰減折射，折射后的光照亮光敏二極管，產(chǎn)生受激電流。通過(guò)采樣該電流得到LD發(fā)光功率反饋。

溫度與光功率采樣電路實(shí)現(xiàn)方法原理相同。信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路后，經(jīng)運(yùn)算放大器放大，進(jìn)入核心控制器AD采樣模塊，對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集。由于溫度及光功率采樣精度直接影響激光器控制效果，選用雙路內(nèi)部補(bǔ)償頻率的高增益運(yùn)放LM358進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，采樣電路如圖8所示。

圖8 溫度與光功率采樣電路

2.4 DA輸出電路

驅(qū)動(dòng)電源中，2路TEC及LD驅(qū)動(dòng)模塊均可等效為壓控恒流源，需通過(guò)設(shè)定電壓值提供控制指令。因此，核心控制器需提供3路電壓給定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)LD及2路TEC的驅(qū)動(dòng)控制。

STM32最多只有1路DA接口，因此，需要外擴(kuò)DA芯片實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出。選用TI公司TLV5614集成芯片，該DAC具有SPI數(shù)據(jù)接口，使能及輸出更新控制端，分辨率可達(dá)12位，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于3 μs。

通過(guò)SPI接口與核心控制器連接，實(shí)現(xiàn)4路DA輸出擴(kuò)展，DA輸出電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 DA輸出電路設(shè)計(jì)

3 驅(qū)動(dòng)電源軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電源軟件設(shè)計(jì)有遠(yuǎn)程工作參數(shù)設(shè)定，雙路TEC溫度采樣、LD電流采樣、光功率采樣，雙路TEC溫度控制，LD功率控制，故障診斷與保護(hù)等功能，流程如圖10所示。

圖10 驅(qū)動(dòng)電源軟件流程圖

控制核心通過(guò)RS422通訊接口獲取驅(qū)動(dòng)電源啟停、工作模式、最大工作電流、恒功率檔位及功率等工作參數(shù)，判斷是否啟動(dòng)激光器電源輸出。

激光器電源輸出啟動(dòng)后，進(jìn)行采樣與控制輸出計(jì)算，分別執(zhí)行恒溫控制子函數(shù)、恒流或恒功率控制子函數(shù)?？刂谱雍瘮?shù)根據(jù)1.1與1.2中算法模型，采用PI控制方法，控制雙路TEC溫度及LD功率輸出保持穩(wěn)定。

由于LD泵浦光源額定工作電流為1.5 A，如果調(diào)節(jié)時(shí)驅(qū)動(dòng)電流從零瞬間上升至較大值，該電流沖擊變化會(huì)對(duì)激光器泵浦造成損傷，進(jìn)而減少激光器的使用壽命[12]；當(dāng)激光器關(guān)斷時(shí)，流經(jīng)泵浦電路從較高值瞬間降為零同樣會(huì)對(duì)激光器造成傷害。因此，在LD電流控制與LD功率控制子函數(shù)中，設(shè)計(jì)軟件延時(shí)啟動(dòng)及關(guān)斷電路，控制驅(qū)動(dòng)電流在到達(dá)設(shè)定值過(guò)程中緩慢上升或下降，對(duì)激光器進(jìn)行保護(hù)。軟啟動(dòng)過(guò)程如下：

軟件對(duì)電流變化斜率進(jìn)行限定，電流從0～1.5 A最快變化時(shí)間設(shè)定為1秒，即調(diào)節(jié)過(guò)程中，電流變化速率不超過(guò)1.5 A/s，從而避免電流突變?cè)斐傻募す馄鲹p壞。

故障診斷與保護(hù)子函數(shù)對(duì)激光器進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到LD過(guò)流、晶體或泵浦超溫或遠(yuǎn)程通訊接口設(shè)定急停時(shí)，進(jìn)入該子函數(shù)。激光器驅(qū)動(dòng)電源將立即停止電流輸出，并將相應(yīng)故障代碼通過(guò)通訊接口上傳，實(shí)現(xiàn)激光器故障診斷與保護(hù)功能。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)效果，搭建試驗(yàn)平臺(tái)分別對(duì)DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)電流、溫控系統(tǒng)溫度以及激光器恒功率等性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

4.1 驅(qū)動(dòng)電流測(cè)試

因激光器工作需要恒溫環(huán)境且電流不宜發(fā)生突變，驅(qū)動(dòng)電源電流測(cè)試采用LD模擬負(fù)載進(jìn)行。電流測(cè)試主要考察電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)誤差。

4.1.1 電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)

電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試時(shí)，設(shè)計(jì)幅值為1 A階躍電流指令。測(cè)得驅(qū)動(dòng)電源LD驅(qū)動(dòng)電流輸出如圖11所示。

圖11 電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

由圖11可以看出，當(dāng)電流指令給定為1A階躍時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源LD電流在6 ms內(nèi)上升至設(shè)定值，響應(yīng)迅速且準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值后，無(wú)超調(diào)震蕩現(xiàn)象發(fā)生。由此可知，驅(qū)動(dòng)電源具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

4.1.2 電路穩(wěn)態(tài)誤差

驅(qū)動(dòng)電源給定為1 A電流指令，待驅(qū)動(dòng)電流上升過(guò)程結(jié)束后，測(cè)量輸出電流穩(wěn)態(tài)誤差，電流波形如圖12所示。

圖12 電流穩(wěn)態(tài)誤差曲線

由圖12看出，使用示波器交流耦合檔對(duì)輸出電流1A時(shí)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)量，LD驅(qū)動(dòng)電流的最大誤差不超過(guò)±0.035 A。測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。

上述試驗(yàn)表明，激光器驅(qū)動(dòng)電源在階躍及穩(wěn)態(tài)測(cè)試時(shí)，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及較小的穩(wěn)態(tài)誤差，電流輸出控制精度高。激光器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

4.2 雙路TEC溫度控制測(cè)試

DFB激光器在25℃時(shí)為最佳工作狀態(tài)，因此將晶體與泵浦TEC控制的目標(biāo)溫度均設(shè)定為25℃。測(cè)試時(shí)保持LD光源點(diǎn)亮，以改變激光器內(nèi)部環(huán)境溫度。通過(guò)采集熱敏電阻值反應(yīng)當(dāng)前實(shí)際溫度，進(jìn)行雙路溫度控制測(cè)試，持續(xù)1小時(shí)，測(cè)試結(jié)果記錄于表1所示。

試驗(yàn)表明，該雙路TEC溫度控制電路工作穩(wěn)定，當(dāng)激光器內(nèi)部LD光源連續(xù)工作時(shí)，晶體及泵浦TEC溫度控制精度不超過(guò)±0.1℃，溫控效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4.3 激光器恒功率測(cè)試

通過(guò)遠(yuǎn)程通訊接口，設(shè)定激光器光功率為80 mW，對(duì)應(yīng)激光器驅(qū)動(dòng)電源提供1 A的LD驅(qū)動(dòng)電流。對(duì)激光器輸出光功率穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 雙路TEC溫度控制試驗(yàn)記錄

注：室溫20℃，時(shí)間min，溫度單位℃。

表2 激光器輸出光功率試驗(yàn)記錄

測(cè)試結(jié)果表明，激光器電源驅(qū)動(dòng)電流誤差不大于2%，且激光器光功率穩(wěn)定度誤差不超過(guò)0.5%，電源驅(qū)動(dòng)性能良好，長(zhǎng)時(shí)工作穩(wěn)定性強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種帶有雙路TEC溫控的功率可調(diào)DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)了激光器雙路溫度控制及輸出功率連續(xù)調(diào)節(jié)。經(jīng)充分測(cè)試結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電源體積小、溫度及電流控制精度高、光功率穩(wěn)定性好。內(nèi)部集成TEC及LD驅(qū)動(dòng)模塊，擴(kuò)展性強(qiáng)、穩(wěn)定性高。相較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電源，大大減小了設(shè)計(jì)體積，進(jìn)一步提高了溫度及電流控制精度，在激光器驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。此外，該設(shè)計(jì)方案對(duì)其他恒流源設(shè)計(jì)也有參考借鑒意義。