用51單片機(jī)對(duì)激光器電流的精度控制的設(shè)計(jì)方案

引　言

　　近年來(lái),隨著光電技術(shù)的迅猛發(fā)展,激光器已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、國(guó)防、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。而環(huán)境溫度變化會(huì)直接影響激光器的波長(zhǎng)。把關(guān)鍵元件(如高性能晶振、SAW濾波器、光放大器、激光二極管) 的本機(jī)溫度限制在窄范圍內(nèi),可以提高電子系統(tǒng)的精度。一般需要將溫度控制在0. 1 ℃內(nèi),激光器的工作精度才能很好地保持在0. 1nm 內(nèi) 。文中的設(shè)計(jì)方案能為大功率半導(dǎo)體激光器提供有效支持,最大電流可達(dá)2. 5A。

　　1 　半導(dǎo)體激光控制器的設(shè)計(jì)

　　激光控制器由受控恒流源,溫度監(jiān)視及控制電路,主控制器及顯示器構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)原理見圖1。

1. 1 　受控恒流源：

　　為了使激光器輸出穩(wěn)定的激光,對(duì)流過(guò)激光器的電流要求非常嚴(yán)格,供電電路必須是低噪聲的穩(wěn)定的恒流源。恒流源可以從0A～2. 5A 之間連續(xù)可調(diào),以適應(yīng)不同規(guī)格的半導(dǎo)體激光器。該恒流源是以大功率的MOS 管為核心,激光器作為負(fù)載與之串聯(lián),通過(guò)控制MOS 管的柵極,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器電流的控制。但MOS 管是非線性器件,難以直接控制,因此必須將其轉(zhuǎn)化為線性控制。

　　如圖2 所示,在MOS 管串聯(lián)一個(gè)0. 1Ω 的電阻,用于采樣反饋,MOS 管的電流變化范圍是0A～2.

5A ,輸入控制信號(hào)的電壓范圍是0V～5V ,將采樣電阻的電壓放大20 倍正好與輸入電壓匹配。這樣控制電壓0V～5V 與電流0A～2. 5A 之間建立起線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但由于整個(gè)反饋是開環(huán)系統(tǒng),十分容易產(chǎn)生自激,因此在采樣電阻連一個(gè)1μF 的電容,破壞自激產(chǎn)生條件、消除自激,并且應(yīng)采用穩(wěn)定的電源以減小電壓波動(dòng)。

　　1. 2 　溫度檢測(cè)及控制電路

　　由于溫度對(duì)激光的品質(zhì)有很大影響,在電流恒定的情況下,溫度每升高1 ℃,激光波長(zhǎng)將增加大約0. 1nm ,而且溫度過(guò)高將導(dǎo)致激光器老化甚至損壞。

　　并且激光器是一個(gè)電靈敏度高、成本昂貴的器件,因此控制器必須提供監(jiān)控、限制和過(guò)載保護(hù)的能力 。

　　包括:自啟動(dòng)和過(guò)流保護(hù)、熱電制冷器(thermoeleCTRiCCooler ,TEC) 電壓、電流和溫度的感測(cè)。異常工作電路停機(jī)以避免激光器元件損壞。值得注意的是:環(huán)境溫度的變化對(duì)激光器的影響,要求控制器具備制冷和制熱的能力。通常為使元件溫度保持穩(wěn)定是將把元件封閉在固定溫度的恒溫槽內(nèi)。為了提供某種調(diào)整容限,其所選溫度應(yīng)高于所有條件下的環(huán)境溫度。這種方法曾被廣泛采用,特別是用在超穩(wěn)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)中(如恒溫槽控制的晶振) 。但高溫應(yīng)用此方法有如下缺點(diǎn) : 性能(如噪聲因數(shù),速度和壽命)有所降低;環(huán)境溫度處于中間范圍時(shí)調(diào)整器消耗加熱的功率,在環(huán)境溫度處于低端時(shí)需要兩倍大的功率;達(dá)到穩(wěn)定溫度所需的時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)。

　　目前采用半導(dǎo)體TEC 來(lái)實(shí)現(xiàn),因?yàn)樗蛇x擇調(diào)整溫度值處在工作溫度范圍的中間。TEC 可做為熱泵或做為熱源,這取決于電流方向。某些系統(tǒng)(如冰箱和大功率處理器冷卻) 只用TEC 的冷卻特性。另一些應(yīng)用(如晶振和SAW濾波器) 利用熱流的兩個(gè)模式。并且該控制器是真正雙向的,使溫度從冷端到熱端之間沒(méi)有死區(qū)。TEC 的驅(qū)動(dòng)電路通常采用“H”橋式,由兩個(gè)互補(bǔ)的達(dá)林頓管或MOS 管構(gòu)成。

　　對(duì)H 橋的驅(qū)動(dòng)宜采用開關(guān)式驅(qū)動(dòng)方式,開關(guān)式驅(qū)動(dòng)方式功耗小、效率高。對(duì)于開關(guān)式驅(qū)動(dòng)方式可以使用LTC1923 等專用芯片驅(qū)動(dòng)。其原理如圖3 所示。

　　DRV592是TI（TexasInstruments）公司出品的高效、大功率H橋電源驅(qū)動(dòng)集成塊，輸出電壓范圍從2.8V到5.5V,最大輸出電流為3A。DRV592需要外部PWM觸發(fā)（兼容TTL邏輯電平）,內(nèi)置過(guò)流、欠壓和過(guò)熱（130℃）保護(hù)和電平指示。業(yè)界最小封裝（9mm×9mm32腳PowerPADTM扁平封裝模式）,具有-40℃到85℃工業(yè)用溫度范圍標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是該芯片集成了4個(gè)大功率MOSFET和過(guò)載保護(hù)電路，與采用分立元件設(shè)計(jì)（見圖3）相比，簡(jiǎn)化80%的設(shè)計(jì)。并且只需添加幾個(gè)外部元件就能容易地構(gòu)成精確的溫度控制環(huán)路用以穩(wěn)定激光二極管系統(tǒng)?；贒RV592的半導(dǎo)體TEC的電源驅(qū)動(dòng)電路見圖4。和圖3相比，可以看到基于DRV592的TEC電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，并且DRV592還有內(nèi)置過(guò)流、欠壓和過(guò)熱（130°C）保護(hù)電平指示。引腳功能見表1。

由于大電流開關(guān)電路會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲干擾,為減少干擾,可適當(dāng)增大開關(guān)管的轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)降低高頻開關(guān)噪聲。雖然這會(huì)使開關(guān)效率降低一些,不過(guò)用這個(gè)代價(jià)換來(lái)噪聲的大幅度改善還是值得的。

　　另外由于TEC具有熱慣性,改變狀態(tài)會(huì)有一定的延遲,會(huì)給系統(tǒng)引起振蕩。為了消除振蕩,可在放大器兩端并聯(lián)積分電路,增加延時(shí),消除振蕩產(chǎn)生。要注意的是穩(wěn)定的溫度是由熱敏電阻的反饋來(lái)決定的,因此要將TEC與熱敏電阻封裝在一個(gè)模塊中,使它們緊密耦合。

　　溫度探測(cè)器的精度直接影響溫度控制的效果。

　　溫度探測(cè)電路部分與恒流源類似,采用NTC(負(fù)溫度系數(shù))的熱敏電阻作為溫度探測(cè)器。其中用陶瓷粉工藝制作的NTC元件對(duì)溫度的微小變化有最大的電阻變化。特別是某些陶瓷NTC在其壽命內(nèi)(經(jīng)適當(dāng)老化)具有0.05℃穩(wěn)定度。并且與其它溫度傳感相比,陶瓷NTC的尺寸特別小。然后將熱敏電阻串聯(lián)入一恒流源,對(duì)熱敏電阻兩端電壓采樣,將溫度變換為電信號(hào)。原理如圖5所示。

　　溫度探測(cè)電路中采用的是TI公司出品的CMOS單電源，低功耗雙運(yùn)算放大器TLC2252。TLC225x系列具有高輸入阻抗、微功耗、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，適用于手持移動(dòng)設(shè)備。在1kHz的噪音僅為19nV,是同類產(chǎn)品的1/4。