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基于MAX1968的半導體激光溫控電路設計

萬小平 金雷 陳瓞延 馬萬云

       摘要：討論了一種半導體激光溫度控制電路的設計方案，能夠?qū)崟r監(jiān)視和控制激光器溫度，以穩(wěn)定激光器的輸出功率和波長�？刂坪诵牟捎肞IC16C73單片機來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的精確控制。熱電致冷器驅(qū)動電路采用高集成、高性價比和高效率開關(guān)型驅(qū)動芯片MAX1968來實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的分立元件設計方法相比，簡化了80%的電路設計。實驗結(jié)果表明，激光器的溫度控制精度達到±0.1℃。
關(guān)鍵詞：MAX1968; 單片機; 熱電致冷器; 半導體激光器; 溫度控制器; 
   1  引　言

    由于體積小、功耗低、壽命長和易于調(diào)制，半導體激光器( Laser Diode)作為一種新型激光光源已廣泛應用于通訊、醫(yī)療和測量等各個領域 ^[1]。LD易于調(diào)制的特點在于LD的輸出波長易受溫度和注入電流的影響。普通LD的電流調(diào)制系數(shù)約為0.025nm/mA,；溫度調(diào)制系數(shù)約為0.3～0.4nm/℃^[2]。在對波長穩(wěn)定性要求較高的場合，諸如干涉測量和光譜吸收氣體檢測待高精度測量應用中，必須對LD溫度進行精確控制。本文提供的設計方案能為半導體激光器的溫度控制提供有效支持。

2  硬件電路設計

    半導體激光溫度控制器由MICROCHIP公司生產(chǎn)的PIC16C73單片機和MAXIM公司生產(chǎn)的TEC驅(qū)動芯片MAX1968組成，主要包括溫度反饋電路、TEC驅(qū)動電路、EEPROM存儲電路和鍵盤數(shù)碼管顯示控制電路。溫度控制電路利用熱敏電阻反饋LD管芯溫度，AD轉(zhuǎn)換器對該反饋信號進行AD轉(zhuǎn)換并輸入單片機，單片機將其與給定電壓比較，在進行數(shù)字PID算法^[3]處理后，單片機控制DA轉(zhuǎn)換器輸出模擬控制電壓給MAX1968，從而調(diào)整MAX1968輸出到TEC的電流方向及大小。TEC 根據(jù)流過電流信號對激光器進行制冷或加熱，使激光器溫度穩(wěn)定在所要求的值。激光器溫控系統(tǒng)須滿足控制精度高、溫度穩(wěn)定性好的要求，另外必須進行雙向控制， 以適應環(huán)境溫度變化和激光器工作條件變化。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  半導體激光溫度控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

LD：激光發(fā)射管，PD：功率監(jiān)視器，TEC：熱電致冷器

2.1       MAX1968 TEC驅(qū)動電路

    熱電致冷器(TEC)是利用帕耳貼(Peltier)效應進行制冷或加熱的半導體器件。在TEC兩端加上直流工作電壓會使TEC的一端發(fā)熱，另一端致冷；把TEC兩端的電壓反向則會導致相反的熱流向。

    常用的TEC溫度控制電路大多采用分立元件搭建的PID 電路，但分立電路需要進行參數(shù)整定, 一般都是靠調(diào)試人員根據(jù)其經(jīng)驗確定參數(shù)值, 也并不總是能達到控制要求, 而且分立電路容易引入噪聲, 影響控制精度。另外, 由于目前半導體激光器內(nèi)部通常集成了熱敏電阻和TEC, 價格比較昂貴, 若發(fā)生TEC過壓、過流情況, 容易把激光器燒壞, 搭建溫控系統(tǒng)時還須考慮到激光器的保護問題。因此, 傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)很難完成半導體激光器的溫度控制要求, 而集成了控制電路與各種保護功能的專用芯片能夠較好地完成精確溫度控制的任務。

    MAX1968是MAXIM公司推出的高度集成、高性價比和高效率開關(guān)型驅(qū)動器，適用于Peltier熱電制冷器模塊。它采用直接電流控制，消除了TEC中的浪涌電流。片內(nèi)FET在提供高效率的同時，盡可能地減少了外部元件。500kHz/1MHz開關(guān)頻率和獨特的紋波消除電路減小了元件的尺寸和電源噪聲。MAX1968單電源工作，在芯片內(nèi)部的兩個同步降壓穩(wěn)壓器輸出引腳之間連接TEC，能夠提供±3A雙極性輸出。雙極性工作能夠?qū)崿F(xiàn)無“死區(qū)”溫度控制，以及避免了輕載電流時的非線性問題。該方案通過少許加熱或制冷可避免控制系統(tǒng)在調(diào)整點非常接近環(huán)境工作點時的振蕩。MAX1968采用薄型28引腳TSSOP-EP封裝，工作于-40℃到+85℃的溫度范圍。

    圖2所示為激光溫度控制器的TEC驅(qū)動電路原理圖。熱敏電阻R_t上的電壓信號代表溫度的變化，該信號經(jīng)過運放U5 OP07隔離后送至U6進行AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換器采用MICROCHIP公司生產(chǎn)的單通道12位AD轉(zhuǎn)換芯片MCP3201，接口方式為SPI串行協(xié)議。MCP3201將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入PIC16C73單片機。單片機先將采集到的溫度信號進行數(shù)字濾波，再與設定的溫度值比較并進行數(shù)字PID處理。之后單片機輸出控制信號至DA轉(zhuǎn)換器U5，DA轉(zhuǎn)換器根據(jù)單片機送來的控制信號輸出一個模擬控制電壓至MAX1968的CTLI引腳上，從而精確地設置連接在MAX1968 OS1與OS2引腳之間的TEC U4上所通過的電流方向與大小。DA轉(zhuǎn)換器選用MICROCHIP公司生產(chǎn)的單通道12位引腳DA芯片MCP4921，接口方式為SPI串行協(xié)議。MAXIP和MAXIN引腳分別用來設置允許通過TEC的加熱和制冷電流的最大值，而MAXV引腳用來設置允許加在TEC兩端的最大電壓。ITEC引腳的輸出電流與TEC中通過的電流具有線性關(guān)系，可以利用它實時監(jiān)測TEC中通過的電流大小。此外MAX1968還提供了一個引腳 ，在器件不工作的時候?qū)⑵潆娖嚼�低可以設置器件為關(guān)斷模式，從而減小器件功耗。

圖2  TEC驅(qū)動電路原理圖

2.2       HD7279A鍵盤和數(shù)碼管顯示控制電路

    HD7279A是北京比高科技公司推出的串行接口8位LED數(shù)碼管及64鍵鍵盤智能控制芯片，單芯片即可完成數(shù)碼管顯示和鍵盤接口的全部功能。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并提供2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移和段尋址等。

   在HD7279A檢測到有效按鍵時，其 引腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑�同時在單片機RB0引腳上觸發(fā)中斷。中斷發(fā)生后，單片機在RC0引腳輸出低電平（即HD7279A片選信號 變?yōu)榈碗娖剑┻x擇HD7279A器件，并通過串口協(xié)議發(fā)出“讀鍵盤數(shù)據(jù)命令”，HD7279A接收到該命令后，在CLK引腳的上升沿將檢測到的按鍵代碼從DATA引腳輸出至單片機。單片機根據(jù)按鍵代碼進行相應的處理。

   在顯示數(shù)據(jù)時，單片機RC4引腳輸出的串行數(shù)據(jù)從HD7279A DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步。當片選信號 變?yōu)榈碗娖胶螅珼ATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入器件內(nèi)部的緩沖寄存器并顯示。

2.3       EEPROM存儲電路

　　 為使掉電后上次設定的參數(shù)不至于丟掉，系統(tǒng)還采用了MICROCHIP公司生產(chǎn)的串行EEPROM-24LC02進行掉電前的參數(shù)存儲，接口方式為I2C串口協(xié)議。另外，由于熱敏電阻R_t的阻值會隨溫度的增加呈指數(shù)規(guī)律遞減，故代表溫度變化信號R_t上的電壓也呈現(xiàn)出非線性變化。因此在軟件處理中采用查表的方式來確定實測的溫度值。在24LC02中預先存儲有10~55℃范圍內(nèi)的溫度-電壓對應值以備查詢。

3        軟件設計

    系統(tǒng)軟件采用匯編語言進行模塊化結(jié)構(gòu)設計，主要由鍵盤、顯示、溫度采集AD轉(zhuǎn)換、溫度控制DA輸出、存儲器讀寫和PID數(shù)據(jù)處理等子程序構(gòu)成。圖3為主程序、中斷服務程序和中斷服務子程序流程圖。

圖3  系統(tǒng)程序流程圖

4        實驗結(jié)果

    圖4為90分鐘內(nèi)每隔5分鐘測量一次所獲得的半導體激光器溫度控制的實驗數(shù)據(jù)。激光器購自北京海特光電公司，型號FLMS-1310-112。器件封裝內(nèi)集成熱敏電阻和TEC，額定工作電流28.5mA。實驗時環(huán)境溫度為23℃，激光二極管的工作溫度設置為25℃。從圖中曲線可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定后，激光二極管的溫度基本穩(wěn)定在25℃左右，偏差在±0.1℃內(nèi)。

圖4  半導體激光器溫度穩(wěn)定曲線

5           結(jié)    論

    本文設計的半導體激光溫度控制器經(jīng)過實踐表明：該控制器可以有效地對激光二極管的工作溫度進行控制，電路的控制性能令人滿意。相比傳統(tǒng)的激光溫度控制方案，本文提出的設計方案創(chuàng)新之處在于：采用了MAX1968 TEC驅(qū)動芯片和HD7279A鍵盤和數(shù)碼管顯示控制芯片，大大減少了電路分立元件的數(shù)量，改進了系統(tǒng)噪聲性能，增加了系統(tǒng)的可靠性；采用PIC16C73單片機進行實時控制，并對信號進行數(shù)字濾波、數(shù)字PID處理等措施，減少了設計成本，增加了設計的靈活性。