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帶有TEC溫控的連續和脈沖型半導體激光電源

半導體激光電源的發展及技術要求
 
目前,半導體激光器在通信技術、生物醫學工程、軍工技術等領域的應用越來越廣泛。因此半導體激光電源的可靠性、穩定性也就顯得格外重要。由于激光器的發射譜線、倍頻晶體的相位匹配等對溫度十分敏感,因此溫度的變化嚴重影響著整個器件的性能,因此,溫度控制電路對整個激光器件的品質是非常關鍵的。小功率的激光器可以采用簡單的被動散熱;高功率的激光器一般需要水冷,通過調節循環管道內水流量來達到控溫的目的,這種方法精度不高,而且受到應用環境的限制,使激光器的應用范圍變窄。若要激光器的控溫具有高穩定度,則需要用半導體制冷器(Thermal Electronic Cool-er,TEC) 作為溫控系統的控溫執行器件,通過調節流經TEC的電流方向和大小,可以實現制冷或者加熱,實現較高的控溫效率,同時達到理想的控溫精度。
 
半導體激光電源的系統設計
 
如圖1的系統框圖,整個系統分為三個部分,分別為激光電源(LASOR DIODE,簡稱LD)恒流輸出部分,TTL電平控制部分以及半導體制冷器(Thermal Electronic Cooler,TEC)溫度監測與控制部分。
帶有溫度監測與控制以及調制功能的半導體激光電源系統摳圖
在激光電源恒流輸出部分中,首先用一個模塊電源將市電的220V交流電轉換為5V/4A的直流輸出;然后通過一系列濾波調壓將收到的直流電量整合到攜帶有少量微小噪聲干擾的直流量,最后通過一個恒流電路將輸出電流穩定到3A,輸送給激光器。
在TTL電平控制部分中,主要是通過TTL電平控制恒流電路中輸出MOS管的導通與關閉以達到調制激光的功能。
在TEC溫度監測與控制部分中,激光器表面的溫度信號首先通過一個溫度-電壓傳感器轉變為可采集的標準電壓信號,并傳送給比例電路。電壓信號通過比例電路的放大與濾波后,傳送給TEC驅動電路和比較電路。TEC的驅動電路將接收到的信號與基準值相比較,以驅動TEC不工作、制熱或者制冷。比較電路將接收來的信號與基準值進行比較與分析,當溫度超過預設的溫度上下限值時,發送出一個警報信號迫使整個電源停止工作。
 
半導體激光電源的硬件連接
 
硬件連接主要分為兩個部分,第一部分是半導體激光器部分,為激光器提供穩定的輸出,同時利用TTL信號和警報信號控制電源的工作狀態;第二部分是TEC驅動及警報信號產生電路,通過MAX1968控制TEC制冷或制熱。
 
半導體激光器(LASOR DIODE)
電源所提供的某一個電參量必須是穩定的,并且所攜帶的噪聲信號越小越好。因此,系統中采用了一系列的濾波調壓電路,濾除電流中所帶的微小噪聲,以達到穩定的小功率輸出。如圖2,在濾波電路中設置了兩個滑動變阻器,用來調節輸入到運算放大器AD820的電壓信號值。其中用作粗調,用作微調,分別引出兩根導線,安裝手動旋鈕式變阻器,調節輸出恒定電流值的大小。在AD820的電路中,采用電流反饋,以達到恒流輸出。
 半導體激光器以及TTL、TEC控制電路
在TTL與警報信號控制電路中,信號通過4N25輸入到VMOS管T092C的基極,以控制其導通或截止。光電耦合器4N25主要用來隔離前后級電路的相互影響,同時控制Q2(T092C)的導通與截止,以調節恒流輸出的導通與截止。電路工作過程:當激光器工作在指定溫度范圍內時,警報信號為低電平,此時,若TTL信號為高電平時,U104A(DM74LS00M)的輸出為低電平,則U102A(CD4001BCM)的輸出為高電平,而U104B(DM74LS00M) 的輸出為低電平,這導致光電耦合器4N25截止,則Q2(T092C)基極為低電平,Q2截止,則AD820輸出的電壓值不變,使MOS管Q1(BU932RP)導通,從而輸出恒 定 的 電 流 值 ; 而 若TTL信 號 為 低 電 平 , 則U104A(DM74LS00M)輸出為高電平,U102A(CD4001BCM)輸出為低電平,U104B(DM74LS00M)為高電平,則光電耦合器4N25導通,輸出電壓導致Q2基極為高電平,Q2導通,從而使AD820的輸出端降為低電平,導致MOS管Q1(BU932RP)截 止 ,則LD部分無輸出。而當警報信號為高電平時,無論TTL信號為高電平或者低電平,都會導致U102A的輸出端為高電平,從而使LD部分無輸出。
 
TEC驅動及報警信號產生電路
 
熱電致冷器(TEC)是利用帕耳貼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。本系統使用MAX1968為TEC的驅動芯片,它采用直接電流控制,消除了TEC中的浪涌電流。MAX1968單電源工作,在芯片內部的兩個同步降壓穩壓器輸出引腳之VOUT1與VOUT2之間連接TEC,能夠提供±3A雙極性輸出。雙極性工作能夠實現無“死區”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在調整點非常接近環境工作點時的振蕩。此系統中設置的基準值是3v(對應的溫度值為25°C),當傳感器感知的溫度大于25°C時,經反向放大器放大后傳輸給MAX1968的電壓值將小于3v,MAX1968將輸出+3v的電壓,驅動TEC制冷;當傳感器感知的溫度小于25°C時,經反向放大器放大后傳輸給MAX1968的電壓值將大于3V,MAX1968將輸出- 3v的電壓,驅動TEC制熱。
 
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