大功率半导体激光器高精度温控系统研究

王宗清，段 军，曾晓雁

(华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074)

引 言

半导体激光器(laser diode，LD)的性能受温度的影响很大，如阈值电流、输出光波长和功率都会随温度变化。在LD电流恒定的情况下，激光波长随温度的偏移量为0.2nm/℃ ～0.3nm/℃。在18℃ ～28℃范围内，LD抽运的Nd∶YAG激光器在LD温度变化时，激光器输出功率随之发生较大变化［1-2］。随着LD被越来越广泛地用于国防、科研、医疗、光通信等领域，半导体激光器对波长和功率的稳定性提出了很高的要求，这就要求对LD进行高精度温控［3-5］。

以Analog Devices公司的芯片DN8830为例，当前国外处于领先水平的公司推出半导体制冷器(thermoelectric cooler，TEC)控制芯片可实现±0.01℃激光器温控精度。目前，国内多对大功率LD采用水冷来进行控温，其响应速度慢、温控精度低。而利用TEC对LD进行温控，由于其驱动电路电流不超过3A，无法满足大功率制冷需求。报道的最高精度为±0.05℃［6］。本文中的温控对象为nLIGHT额定出光功率50W的半导体激光器，发热效率约47%，最佳工作温度25℃。采用TEC1-12710作为制冷片，TEC由大电流恒流源电路驱动，驱动电流可达7.5A［7］。采用分段积分的比例-积分-微分(proportion-integration-differentiation，PID)算法自动调整控制量［6］，以高精度、线性可调节的恒流源驱动TEC，完成对TEC制冷功率的精细调整，实现高精度温控。

1 LD温控系统设计

LD温控在LD抽运固态激光器中，属于控制系统的一个部分。温控系统设计框图如图1所示，主要由三部分构成:第一部分由测温电路、数/模(digital/analog，D/A)转换电路和恒流源电路构成，完成对LD的温度的高精度测量，温度传感器为10kΩ热敏电阻，装置在LD激光器壳体内，可以高精度测量LD内部温度，测量精度可达0.01℃;第二部分为控制核心数字信号处理(digital signal processing，DSP)F28335，由内部自带的12位A/D模块完成对温度信号的采集，和数据处理以及温度控制;第三部分为DSP外设温度预值电路，由键盘和液晶组成的人机交互模块，实现温度的设定与显示，RS232串口为保留的通信接口，与上位机通信。

Fig.1 Diagram of system structure

该温控系统工作原理为:热敏电阻将LD的温度信号变为电压信号，放大滤波后送入A/D模块转换成数字信号输入到DSP。DSP对该信号进行分段积分的PID运算处理后，输出控制量，经过D/A转换为合适控制电压，调整恒流源电流大小，来控制TEC制冷量的控制，实现对温度的精确控制，并在液晶上实时显示LD温度值。由于TEC在制冷量恒定时，其驱动电流大小随TEC冷热端温差的变化发生改变，为保证控制效果，系统需在TEC的制热端安装热沉等有效的散热装置。图1中，LCD(liquial crystal display)为液晶显示器。

1．1 测温电路

测温电路如图2所示，由恒压源、不平衡电桥热电阻测量电路和运放器INA114组成。采用不平衡电桥测量电路可防止测量电路输出负电压，避免电压变化幅度超过A/D转换电压范围0V～3V而损坏DSP。采用恒压源对热敏电阻检测电路供电的方式，是因为10kΩ NTC在0℃ ～50℃温度范围内变化时，其阻值变化范围较大，约为28kΩ～4kΩ，可以消除导线自身随温度变化而引起电阻变化的影响，同时可以限制电压过高而损坏运放器。

Fig.2 Circuit of temperature measurement

恒压源选用低噪声高精度的ADR4550模块，给电桥提供5V电压，其最大初始误差为±0.02%，长期输出电压漂移低，有效提高测温精度。电路中高精度仪表运放INA114具有低输入偏置电流，高共模抑制比，可以准确放大电压信号，满足测量要求。

图2中输出电压Vt与热敏电阻Rt的关系为:

式中，K为仪表运放增益。

由于DSP内部A/D输入电压范围为0V～3V，应合理选择电阻值，避免Vt超过转换范围;A/D输入端口设计了限幅电路，防止电压过高损坏DSP。系统设计R1=R2=100kΩ，R3=50kΩ;经过计算电路正常测温范围为 -12℃ ～55℃，电路工作于 25℃时，Vt=1.33V满足设计要求。

1．2 TEC控制电路

由于温控系统要求较大制冷功率，所以设计了大电流电路驱动TEC，电流峰值达到7.5A，稳态时约为6.5A，TEC最大制冷功率达到80W。经实验验证，此控制电路可实现0.01A的高分辨率线性调节，实现高精度调节TEC制冷功率。

控制电路包括12位串行DAC7611构成的数模转换电路和恒流源电路两部分［8］。其工作原理是由DAC7611将DSP输出的控制量转换成电压信号，通过控制恒流源电流大小，来控制TEC的制冷量。

DAC7611属于12位串行输入的模数转换器，转换时间快达7μs，无需额外提供参考电平，简化了电路，且其接口可直接匹配F28335芯片，方便设计。输出电压线性可调范围为0V～4.095V，转换误差为±0.01V，满足恒流源电路的控制精度要求。

恒流源电路主回路由稳压输出的开关电源、调整管Q1、TEC测流电阻Rs组成。调整管Q1为IRF1503，其导通电阻Rd仅为3.3mΩ，具有转换速度快的特点。测流电阻PBV-R010的阻值较小，需对测得电压进行高倍放大。R7，R8，R9和R10均为高精度电阻，以提高精度。比例-积分电路中运放LM7171为高速运放，匹配电路实时快速调整的要求。恒流源电路如图3所示。

Fig.3 Circuit of constant current source

图3 中TEC驱动电流与控制电压的关系为:

式中，R7=R8，R9=R10，Vc为 DAC 输出的控制电压，I为TEC驱动电流。

恒流源电路工作原理是:测流电阻将电流值转化成电压值，经过OP37放大，与数/模转换输出的控制电压Vc进行比较，通过比例-积分电路构成反馈电路输出调整电压，控制调整管的导通程度来调整主回路电流，实现稳定的恒流输出。

1．3 人机接口

系统用按键控制电路，可直接设置温控目标温度;LCD实时显示设定温度和实测LD温度，实现人机交互的功能。上位机可通过RS232串口与温控系统通信，实现温控的智能和远程控制。

2 程序设计

主程序流程图如图4所示，系统采用模块化的结构，将整个系统划分为相互独立的模块，因此明确每个模块的工作，只要设计好与其它模块的接口，就不会受到其它模块的干扰，便于设计复杂的程序。

Fig.4 Program flow chart

主要包括系统初始化、中断服务程序、串口通信程序、按键扫描程序、液晶显示刷新程序、数据处理程序、PID算法实现等。数据处理程序主要是包括对采样值进行数字滤波、平均、计算，得到准确温度值，经过分段积分的PID算法处理，输出控制量。

2．1 PID 算法

PID算法因其算法简单、可靠性高，而广泛应用于工业过程控制和温度控制中。离散的PID表达式如下:

式中，e(k)为第k次采样的偏差值，e(k-1)为第k-1次的采样偏差值，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。

在大功率LD温控系统中，由于LD制热量较大，为防止出现温度失调的情况，此系统选择改进的分段积分的PID算法［9］。即对于不同的温度区间，采取不同的积分值，实现不同的调整速度，达到安全、快速稳定的目的。具体分段情况如下式:

式中，u(k)max为最大调节量，i1和i2为两个具体的积分系数值，e0和e1为温度偏差值。

在实际控制中，e0和e1是与目标温度的差值，分别取1和0．5;u(k)max由硬件电路确定。在自动调节过程中，PID积分项可能会累积较大的调节量，影响温控速度，所以程序在每次温控开始前对积分量清零。

2．2 PID参量调节

作者选择4∶1衰减法对PID参量进行整定，其基本原理是先把积分时间放到最大，微分时间放到0。待调节系统稳定后，逐步减小比例度，观察输出电压(电流)和调节过程的波动情况，直到出现4∶1衰减过程为止。记录4∶1衰减比例度和操作周期，根据经验公式，求得调节器各个参量的具体数值［10-11］。再结合实验进行微调，得到较理想控制效果，实验参量为:Kp=4500，i1=0．4，i2=1，Kd=500。

3 实验结果

在5℃ ～26℃的环境下对该温控系统进行长时间测试，系统稳定工作。LD开启关闭全过程的温控动态曲线如图5所示。

由图5可知，LD启动时电流是一个缓慢上升的过程，关闭时缓慢下降;额定工作电流7.5A，此时出光功率为50W，发热功率约为45W，温度稳定于25℃。开启时温度在LD达到额定工作状态后迅速稳定下来，TEC在LD关闭后停止制冷，温度缓慢降至室温。LD开关全过程中，温度在室温与目标温度间正常波动。解决了开关机时温度失调的问题。

改变设定温度值时，系统温控情况如图6所示。

Fig.5 Overall process of temperature control

Fig.6 Different temperature control

图6a中的设定温度值为17℃，图6b中的设定温度值为40℃。实验结果表明，系统温控范围达到15℃ ～45℃。系统长时间稳定工作时的温度稳态曲线如图7所示。

Fig.7 Stable temperature control

温控系统进行了6h以上的测试，结果表明，LD温度长时间稳定在±0.02℃的范围内，满足设计要求。

当LD电流发生变化，即改变LD发热功率时，实测温度曲线如图8所示。

测试结果表明，系统具有良好的自调节能力，在发热功率发生变化时，迅速调整TEC制冷功率，可在2min内恢复稳态。该温控系统在发热功率为1W～60W的范围内，实现±0.02℃的温控。

Fig.8 Temperature control with the change of different current

4 结论

系统采用DSP F28335作为控制核心，配合高精度的测温电路，采用分段积分的PID控制算法，使用大电流恒流源电路驱动TEC，实现了对大功率LD的高精度智能温控。DSP丰富的外设端口及串口通信功能，使该温控系统具有良好的扩展性和兼容性。该温控系统为额定功率60W以下的LD，提供了一种高精度的温控方案，可应用于LD抽运的固态激光器等工业场景。

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