基于ADN8831的温度控制系统在激光器中的应用

吕 飞， 高 峰， 郑 桥， 袁自钧

（合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009）

0 引 言

本文主要介绍一种可用于激光器温度控制的方法，温度对Nd：YAG／KTP倍频激光器的特性有很大的影响，需要精确控制KTP温度，使其达到最佳工作条件，必须对其温度进行高精度控制，因此，对半导体激光器的温度控制技术的研究具有重要的意义。采用半导体制冷器实现对激光器温度控制是一种常用的方法，本文介绍了一种通过ADN8831的温控电路控制热电制冷器（TEC）对激光器进行温度控制的方法［1－3］。传统的模拟控温系统，如激光器常用的水冷方法等，由于技术和实现方法的原因仅实现了单向调节温度，且精确度并不是很高。基于ADN8831的温控电路利用NTC负温度系数的热敏电阻采集温度信号，对信号进行分析处理，通过PID算法控制热电制冷器（Thermoelectric Cooler，简称TEC）制冷或产生热量，从而达到双向控制KTP温度的目的，且PID算法可以实时地根据目标物体的温度与设定温度进行比较，控制TEC加热或制冷，且PID算法中的补偿网络可以使控制精度优于传统的温度控制系统。需要说明的是PID算法的调节时间较长，PID控制需要经过较长时间的调整，才能重新达到稳态，且调整过程中输出量受被控对象变化的影响较大。如能解决这一问题，系统对温度控制的精度将会进一步提高，如用于激光器的温度控制将会使激光器的输出更加稳定。

1 温度控制原理

TEC是一个利用塞贝克效应来加热和制冷的半导体P－N结器件［4］，当在TEC两端加偏置电流时，TEC的一端加热，另一端制冷［5］。如果偏置电流反向，则加热端和制冷端互换。TEC转移的热量与通过TEC的电流成正比，但并非是简单的线性关系，因此，目标物体的温度可以通过调节流过TEC两端的电流的大小和方向来控制。

首先由NTC来感应目标物体的温度，产生一个表明目标物体温度的电压，此电压与用于表示设定温度的电压值通过运算放大器进行比较［6］，产生一个偏置电压。该偏置电压通过差分放大器进行放大，同时通过补偿网络对目标物体引起的相位延迟进行补偿［7－9］（补偿网络由补偿放大器和电阻电容组成）。然后通过H桥电路输出电流控制TEC加热或制冷，当目标温度达到设定温度时，H桥将不输出电流。

TEC控制框图，如图1所示。

图1 TEC控制框图

该系统主要是通过PID算法、补偿网络和H桥实现对温度的高精度的双向控制。根据产生的偏置电流的大小，PID算法可精确反映出目标物体的温度是高于设定温度还是低于设定温度以及差值；然后通过补偿放大网络把信号电压放大到合适的值由H桥电路向TEC加正向电压或反向电压来控制TEC加热或制冷，从而达到精确控制目标物体温度的目的。

2 基于ADN8831的温度控制电路

ADN8831是TEC的控制器，ADN8831的输入电压由设定温度与目标物体温度的差值决定。然后会产生适当的电流加在TEC两端，使其加热或制冷，从而控制目标物体的温度。目标物体的温度由负温度系数的热敏电阻来感应并反馈给ADN8831的控制电路产生信号控制TEC，使目标物体最终达到一个适当的温度。为了增加稳定性，热敏电阻应紧靠目标物体。

图2所示为ADN8831的图解，ADN8831是具有自校正、自归零功能的放大器（CHOP1、CHOP2）。温度测量放大器（CHOP1）能够根据物体的温度产生一个适当的电压；CHOP1的输出电压传递到补偿放大器（CHOP2）上作为其输入。在补偿阶段，温度差值产生的电压与设定的电压进行比较，产生同误差成比例的误差电压。补偿放大器与电阻、电容组成了补偿网络，通过补偿网络的设定可以使TEC的稳定时间和最大电流改变达到最优化。TEC是由一个H桥电路进行有区别的驱动的，ADN8831驱动外部的晶体三极管对TEC提供电流。

为了改进该系统的功率效率，H桥的一端使用开关输出，只需要一个电感器和一个电容即可过滤开关频率。H桥的另一端采用线性输出，该端不需要附加任何外部电路，这种设计可以使ADN8831的效率大于90%。

图2中的各个引脚作用如下。

ILIMC：模拟输入，设定TEC制冷电流限制；IN1P：模拟输入，差分放大器同相输入；IN1M：模拟输入，差分放大器反相输入；OUT1：模拟输出，差分放大器输出；IN2P：模拟输入，补偿放大器的同相输入；IN2M：模拟输入，补偿放大器的反相输入；OUT2：模拟输出，补偿放大器的输出；VREF：模拟输出，2.5 V参考电压；AVDD：3～5 V电源，用于无驱动部分；PHASE：设定SYNCO时钟与SYNCI／SD时钟的相位比较关系；TMPGD：数字输出；AGND：接地；FREQ：模拟输入，通过外接电阻设定开关频率；SS／SB：模拟输入，设定输出电压的软启动时间；SYNCO：数字输出，时钟输出的相位调节；SYNCI／SD：数字输入，任意的时钟输入，如果没有连接，时钟频率由引脚FREQ确定；COMPOSC：模拟输出，对振荡器进行补偿；PVDD：3～5 V电源，用于输出驱动部分；SPGATE：模拟输出，PWM输出驱动外部PMOS门；SW：模拟输入，连接PWM和FET；SNGATE：模拟输出，PWM输出驱动外部NMOS门；PGND：连接外部数字电路接地；SFB：模拟输入，PWM反馈；COMPSW：模拟输入，转换放大器补偿；LPGATE：模拟输出，外部PMOS门的线性输出驱动；LFB：模拟输入，线性反馈；CS：模拟输入，连接输出电流的检测电阻；ITEC：模拟输出，TEC的电流；VTEC：模拟输出，TEC的电压；VLIM：模拟输入，设定TEC的最大电压值；ILIMH：模拟输入，限定TEC制热时的电流值。

图2 ADN8831图解

3 温度控制电路的参数设置

温度控制电路的PCB版图，如图3所示。

图3 PCB版图

（1）热敏电阻。采用10 kΩ，β＝3 450（25℃）的热敏电阻，控制TEC的电压使温度在25℃。电阻值由设定温度的高、中、低（TH、TM、TL）3个值决定，｛TL，TH｝为TEC的可控温度范围，TM＝（TH＋TL）／2。VT为引脚TEMPOT（OUT1）的电压，它是RTH（热敏电阻阻值）的子函数，由RTH决定，即

VREF为参考电压，设定值为2.5 V。

如设定温度的范围为｛15℃，35℃｝，则可知TM为25℃。查看热敏电阻表可知：

对于不同的温度设定，可根据（1）～（3）式和参考本文所给出的例子计算出相应的电阻值，便可实现温度在这个范围内的精确控制，并可以根据需要设定不同的温度范围。该电路也可用于激光器外其他器件的温度控制。

（2）输出电流限制。使用电位器W3和W4来决定TEC在制冷和制热2种模式下的电流，由（4）式和（5）式来确定引脚ILIMC和ILIMH的电压，即

其中，ITCMAX为TEC制冷模式下的最大电流；ITHMAX为TEC制热模式下的最大电流；RS为电流检测电阻，其值为0.02Ω。

TEC制冷或制热的速率与其通过的电流成正比，在不超过限制电流的情况下，电流越大，单位时间内产生的热量或制冷量也会越多，可实现系统对温度的快速响应，提高系统制热或制冷的灵敏度，使温度保持在设定范围，激光器能更好地工作。在使用过程中要控制电流不超过范围，不然会影响电路系统的正常工作，不能达到精确控制温度的作用。

（3）输出电压限制。为了避免TEC过载，可通过调节W2来控制过载保护电压VVLIM。设定31（VLIM）引脚的电压来控制通过TEC的最大电压值，即

其中，VVLIM为引脚31的电压；VTMAX为通过TEC的最大电压。

输出电压限制可以控制TEC两端的最大电压值，以避免电压值过大造成TEC过载而出现烧坏的情况，这样可保证电路工作过程中的安全性。

（4）TEC的电压。可通过测量30（VTEC）引脚的电压来实时监控TEC的电压，即

VTEC＝4VLFB－VSFB＝4（VVTEC－0.5VREF），其中，VTEC为TEC的电压；VLFB为引脚LFB的电压；VSFB为引脚SFB的电压；VVTEC为引脚VTEC的电压。

其中，VOUT2为引脚7（OUT2）的电压值。VB的值由VDD决定，即

通过对TEC两端电压的实时监控可以知道系统是否正常工作，以确保电路的可用性，依据目标物体的温度和参考点的设定值，通过PID算法可以计算出TEC的电压，与实际测定的值进行比较，可知道系统的工作状态是否正常。TEC两端电压的监控可以通过电压表测量或使用示波器监控电压值，以确保系统的正常工作。

（5）PWM开关频率的设定。通过对RFREQ阻值的调节可以改变PWM的开关频率，减小PWM的开关频率可以提高系统的功率效率，但是需要使用更大尺寸的感应滤波器电感和电容。fSWITCH和RFREQ的关系见表1所列。

表1 fSWITCH和RFREQ的关系

VT随温度变化的曲线和VTEC随VOUT2变化的曲线，如图4和图5所示。

图4 引脚TEMPOT（OUT1）的电压与温度的关系

图5 TEC的电压与VOUT2的关系

从图4、图5可以看出，在一定范围内TEC的电压与温度成线性关系，当温度差值较大时，TEC两端的电压也较高，可快速加热或制冷，迅速调节激光器的温度。这是传统的水冷法调节温度所无法达到的，传统的水冷法只能降低激光器的温度，而且最低值是受水温限制的，无法调节，更达不到双向调控，精度也远远低于使用了PID算法进行调控的电路系统。

4 结束语

本文设计了基于ADN8831的温度控制系统，分别在温度范围的最低点和最高点设定参数，通过PID算法对其进行精确控制。该系统可以有效地对目标物体的温度进行控制，能够使目标物体长期稳定工作在设定温度下，可以用于激光器的温度控制。

［1］ 周进军，元秀华，李 博.用ADN8830实现半导体激光器的自动温度控制［J］.光学与光电技术，2005，3（2）：54－57.

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