一種用于半導體激光器的TEC 溫度控制電路設計

［何曉壘 錢陽 趙夢琦 蔣蔚］

1 引言

當半導體激光器工作時，由于連續(xù)長時間工作產(chǎn)生大量的熱能，如果這些熱量不能經(jīng)過散熱處理，將會影響半導體激光器的使用性能，縮短使用壽命。如果長時間處于高溫輸出的環(huán)境下，會出現(xiàn)功率衰減和災變性光學鏡面損傷（Catastrophic Optical Mirror Damage，簡稱COMD）[1]。溫度與LD 之間有著緊密的關系，溫度會影響LD 的工作狀態(tài)及參數(shù)值[2]：閾值電流、P-V-I 曲線、波長以及功率等。因此，為了保證LD 能夠連續(xù)正常工作，就要對LD 的工作溫度進行精確控制，為此，我們設計了一種新型的TEC溫度控制電路，控制精度達到±0.2℃。

2 半導體制冷原理

半導體制冷片（Thermal Electric Cooler，簡稱TEC），將兩種不同類型的半導體（P 型與N 型）構成P-N 結。當直流電經(jīng)過P-N 結時，會發(fā)生“Peltier 效應”[3]，從而產(chǎn)生制冷與吸熱的效果，通過改變電流的方向能夠改變溫度的傳播方向，改變電流值的大小能夠改變TEC 制熱與制冷的輸出量的大小[4，5]。TEC 原理如圖1 所示。

圖1 TEC 原理圖

TEC 的選型考慮TEC 的最大產(chǎn)冷量Qmax、最大溫差電壓Vmax、以及最大溫差電流Imax等參數(shù)。本設計采用的TEC 制冷片型號為TEC-12706，主要的半導體熱電材料為碲化鉍（Bi2Te3），電偶臂材料分別采用了P 型和N 型兩種碲化鉍（Bi2Te3），最大溫差電流（Imax）為6.0 A，最大溫差電壓（Vmax）為15.4 V，最大的產(chǎn)冷量（Qmax）為53.0 W，最大溫差(ΔTmax)為75℃，外形尺寸（Dimensions）為30 mm×30 mm×4.05 mm。

3 溫控電路設計

溫控電路設計如圖2 所示。

圖2 TEC 溫控電路框

溫度控制電路由精密基準源、溫度采集電路、溫度設定電路、誤差放大電路、功率放大電路等功能單元組成。精密基準源為溫度采集電路以及溫度設定電路提供精密參考電壓；溫度采集電路與溫度設定電路的輸出信號輸入誤差放大電路產(chǎn)生實際溫度與設定溫度的偏差信號；信號通過功率放大電路后進而驅動TEC 對LD 進行溫度控制。溫度控制電路圖如圖3 所示。

圖3 溫度控制電路圖

3.1 精密基準源

精密基準源由電阻TR1、精密基準芯片TU1 和電容TC1 構成。其中，TR1 的兩端分別接電源以及TU1 的第1、2 腳和TC1 的節(jié)點，TU1 的第3 腳接地，TC1 的另一端接地，TU1 的第1、2 腳與TC1 的節(jié)點作為精密基準源的輸出。精密基準芯片TU1 采用精密電壓集成塊，型號為TL431。

3.2 溫度采集電路

溫度采集電路由溫度傳感器Rt、電容TC2、電阻TR4 構成。其中，NTC 的一端接TU1 的輸出，另一端與TR4 和TC2 的節(jié)點相連，TR4 的另一端接地，TC2 并聯(lián)在TR4 的兩端。溫度傳感器Rt 采用熱敏電阻（NTC），型號為PR103J2。

溫度采集電路核心為溫度傳感器，對其選擇至少從4 個方面進行考慮：線性度、溫度范圍、靈敏度和外形尺寸等。半導體的導電性能會隨著溫度的變化而發(fā)生變化，利用這一特性可以將半導體材料制作電子器件。將用于溫度變化的半導體器件（電阻）稱為熱敏電阻（Negative Temperature Coefficient）。熱敏電阻根據(jù)溫度系數(shù)的不同分為兩類：正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC 熱敏電阻）以及負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC 熱敏電阻）。本文中采用的熱敏電阻為NTC 熱敏電阻，阻值隨著溫度的升高呈現(xiàn)指數(shù)減少，即：溫度越高，NTC 的阻值越低。

溫控電路的設計中，溫度傳感器采用阻值為10K的NTC 熱敏電阻，型號為PR103J2，溫度控制度達到±0.05℃，滿足溫控電路中對溫度控制精度的要求[34]。表1 為NTC-10K 溫度與阻值關系表。

表1 NTC-10K 溫度與阻值關系表

3.3 溫度設定電路

溫度設定電路由電阻TR3、可調電位器TVR1 構成。其中，TR3 的一端與接TU1 的輸出端，另一端與TVR1相連，TVR1 的另一端接地，TVR1 的滑動端作為溫度設定電路的輸出端。

3.4 放大電路

誤差放大電路由運算放大器U2A、電容TC3、電阻TR5 以及可調電位器TVR2 構成。其中，溫度采集電路的輸出端與U2A 的第3 腳正相輸入端相連，溫度設定電路的輸出端與U2A 的第2 腳反相端和TC3 與TR5 的節(jié)點相連，TC3 的另一端與UU2A 的第1 腳輸出端和TVR 的節(jié)點相連，TR5 并聯(lián)在TC3 的兩端，TVR2 的另一端接地，TVR2 的滑動端作為誤差放大電路的輸出端。

功率放大電路由運算放大器U2B、電阻TR2、電阻TR6、電阻TR7、電阻TR8、電容TC4、電容TC5、MOS管TQ1 組成。其中，U2B 的第5 腳與誤差放大電路的輸出端相連，U2B 的第6 腳與TR6、TR7 以及TC4 的節(jié)點相連，U2B 的第7 腳與TR2 以及TC5 與MOS 管的節(jié)點相連。其中，TR6 并聯(lián)在TC4 的兩端，MOS 管的一端與TEC 相連，驅動TEC 工作。MOS 管的型號為IRF3710。

當LD 工作時，使得工作溫度上升，當工作溫度高于設定溫度時，Vu23的關系式如公式1 所示。

式中，Vu23-U2A 的2 腳與3 腳的電壓；Vref-TU1 的基準電壓值；RTR4-TR4 的阻值；RRt-Rt（NTC）的阻值。

當LD 的工作溫度升高時，NTC 進行溫度采集，RRt降低，Vu23增大。當Vu23Vu22，且又大于零時。信號經(jīng)過誤差放大電路以及功率放大電路后驅動TEC 進行工作。

當設定溫度為25℃時，對5W 的半導體激光器進行溫度控制實驗，結果如表2 所示。

表2 溫度測試數(shù)據(jù)

4 結束語

本文所設計基于TEC溫度控制電路具有可控性較好，精度較高等優(yōu)點。實驗證明溫度控制精度達到設計要求±0.2℃，溫度控制效果較為理想，能夠滿足溫控要求。