通過對半導體激光器特性的研究，可知溫度對激光器的正常工作有著重要的影響。溫度會直接影響到半導體激光器的工作參數包括：閾值電流、V-I 關係
、輸出波長
、P-I 關係等。同時高溫也會對激光器產生極大的影響，嚴重影響其使用壽命和效率。本文采用ADN8831 溫度控製芯片為激光器提供恒定且可調的工作溫度來保證激光器高效率工作。

 

 

根據半導體激光器對溫度的要求，選定ADN8831作為激光器的溫度控製主芯片。ADN8831芯片是目前最優秀的單芯片高集成度、高輸出效率和高性能的TEC驅動模塊之一。ADN8831 的最大溫漂電壓低於250 mV,能夠使設定溫度誤差控製在±0.01 ℃左右。在工作過程中，ADN8831 輸入端的電壓值對應一個設定好的目標溫度。適當大小的電流流過TEC,使TEC加熱或製冷
，在這個過程中使激光器表麵溫度向設定溫度值靠近。此芯片還有過流保護功能
，可編程開關頻率最高可達1 MHz.

 

 

TEC（Thermo Electric Cooler）實際上是用兩種材料不同半導體（P型和N型）組成PN結，當PN結中有直流電流通過時，由於兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結移動過程中產生吸熱或放熱效應（帕爾帖效應），就會使PN結表現出製冷或製熱的效果，改變電流方向即可實現TEC加熱或製冷，調節電流大小即可控製加熱或製冷量的輸出。利用TEC穩定激光器溫度方法的係統框圖如圖1所示。

 

 

圖1中貼著激光器右側的是溫度傳感器
，這裏使用具有負溫度係數的熱敏電阻。這個熱敏電阻是用來測量安放在TECbiaomianshangdejiguangqidewendu。qiwangdejiguangqiwenduyongyigegudingdedianyazhilaibiaoshi，yuremindianzuchanshengdedianyazhitongguogaojingduyunsuanfangdaqijinxingbijiao
，bijiaohouchanshengdewuchadianyatongguogaozengyidefangdaqifangda，tongshibuchangwangluoduiyinweijiguangqidelengreduanyinqidexiangweiyanchijinxingbuchang
，buchanghouqudongH橋輸出，H橋不僅控製TEC電流的大小還能控製TEC電流的方向。當激光器的溫度值低於設定點溫度值時，H 橋會朝TEC 一個方向按一定的幅值驅動電流
，此時TEC處於加熱狀態；當激光器的溫度值高於設定點溫度值時，H橋會減少TEC的電流大小甚至會改變TEC的電流方向，這時TEC就處於製冷狀態。當控製環路達到平衡時，TEC的電流的大小和方向就調整好了
，激光器溫度就會慢慢的向設定好溫度靠近。

 

 

電橋由R1,R2,RTH組成，當電橋處於穩定狀態時候，設定溫度值就是激光器表麵的溫度值
，其中RTH 是具有負溫度係數的熱敏電阻。R1 的阻值可由式（1）計算得到：

 

 

式中：RL為激光器在最低溫度時，熱敏電阻的阻值；RH為激光器在最高溫度時，熱敏電阻的阻值
；RM為激光器在平均溫度時，熱敏電阻的阻值。控製芯片ADN8831 的3腳（1N1N）輸入端的電壓值為：

 

 

式中：RTH 為熱敏電阻的阻值（設定好溫度相對應的阻值）
；基準電壓VREF=2.47 V.經測試，室溫25 ℃時，NTC熱敏電阻的阻值大約為10 kΩ，這時選取R2=10 kΩ，R3=10 kΩ與熱敏電阻進行並聯。感應的目標溫度與輸出電壓關係成正比

，如式（3）所示：

 

 

設溫度下限TLOW 時VTEMPOUT=0 V,中間值TMID 時VTEMPOUT = VREF/2 ,上限THIGH 時VTEMPOUT=VREF,因此通過改變R1,R2,R3電阻的阻值大小來設定溫度控製範圍。溫度-電壓的轉換電路

，如圖2所示。

 

 

經測試，溫度與輸出電壓大體上呈線性關係（見圖3）。

 

 

 

PID（Proportion Integrator Differentiator）比例積分微分調節補償網絡是TEC溫控電路中最關鍵的部分
，它決定了TEC 控製器的響應速度和溫度穩定性。PID 相(xiang)當(dang)於(yu)放(fang)大(da)倍(bei)數(shu)可(ke)調(tiao)的(de)放(fang)大(da)器(qi)，用(yong)比(bi)例(li)運(yun)算(suan)和(he)積(ji)分(fen)運(yun)算(suan)來(lai)提(ti)高(gao)調(tiao)節(jie)精(jing)度(du)，用(yong)微(wei)分(fen)運(yun)算(suan)加(jia)速(su)過(guo)渡(du)過(guo)程(cheng)
，較(jiao)好(hao)地(di)解(jie)決(jue)了(le)調(tiao)節(jie)速(su)度(du)與(yu)精(jing)度(du)的(de)矛(mao)盾(dun)。PID 的數學模型可用式（4）表示：

 

 

式中：KP為比例係數
；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

 

在進行修正時，一般采用調節補償電路參數的方法來使TEC控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)和(he)精(jing)度(du)變(bian)得(de)更(geng)優(you)。在(zai)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)時(shi)，把(ba)前(qian)級(ji)誤(wu)差(cha)運(yun)放(fang)的(de)輸(shu)出(chu)連(lian)接(jie)到(dao)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)電(dian)路(lu)的(de)輸(shu)入(ru)管(guan)腳(jiao)上(shang)
，這(zhe)樣(yang)就(jiu)完(wan)成(cheng)了(le)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)
，具(ju)體(ti)電(dian)路(lu)連(lian)接(jie)圖(tu)如(ru)圖(tu)4所示。

 

 

由於本文中測溫目標為激光器，根據設計要求和計算，係統的參數通常這樣選取：R5=100 kΩ，RH=1 MΩ
，RF=200 kΩ
，C1=1 μF,C2=10 μF和一個330 pF的反饋電容。

 

 

ADN8831是一個差分輸出方式的TEC控製器。搭建一個外圍H橋電路產生適當的電流來驅動TEC,使其對半導體激光器加熱或製冷。如圖5所示。

 

 

圖中的P1,P2,N1,N2,OUTA,OUTB 分別連到ADN8831的P1,P2,N1,N2,OUTA,OUTB引腳上。TEC控製器設在H橋中間
，構成一個不對稱橋。ADN8831對H橋的左支采用開關方式驅動，右支采用線性方式驅動，即當開關管N1導通、開關管P1關閉、P2常通、N2常閉時，電流從TEC的OUTB端經TEC流向OUTA端，此為製冷狀態；當開關管N1關閉、開關管P1導通、P2常閉、N2常通時，電流從TEC 的OUTA 端經TEC 流向OUTB 端


，此為致熱狀態。這種靈活又方便的外接H橋
，能更好的提高電源效率

，減小紋波電流，增加了散熱路徑。

 

用非對稱H橋驅動TEC,其中器件的選擇要考慮兩個因素：

 

（1）TEC工作的最大電流是多少；

 

（2）導通電阻最小可以是多少（考慮功率耗散問題）。

 

本文采用的是FAIRCHILD SEMICONDUCTOR 公司的FDW2520C 芯片。該芯片由一對PMOS 和NMOS管構成
，其中PMOS管能夠提供的最大電流為4.4 A,導通電阻為35 mΩ；NMOS管能夠提供的最大電流為6 A,導通電阻為18 mΩ。

 

 

為了使ADN8831 有效地驅動TEC,其電壓必須穩定，上述的外圍H 橋電路產生的是0~VCC 的脈衝寬度調製方波。所以，這時候就需要設計一個濾波電路來實現驅動的目的。設計采用R-L-C低通濾波網絡，其等效電路如圖6所示。

 

圖6中，RL表示TEC電阻

，R1是C1的等效串聯電阻，R2 等於L1 的寄生電阻加上Q1 或Q2 的導通電阻，並且R1和R2 要遠遠小於RL,VX 是在PVDD 和PGND 之間變化的脈衝寬度調製電壓，這個電路構成了一個二階的低通濾波網絡。

 

 

ADN8831 內部提供了相關保護電路

，這樣起到保護TEC 防止激光器因過熱而損壞。因為有時候通過TEC的電流有可能大於額定工作電壓，這樣會燒壞TEC和半導體激光器
，造成經濟上的損失。圖7為保護與檢測電路。

 

 

 

通過實驗及分析得到

，溫度控製偏差為±0.01 ℃。係(xi)統(tong)的(de)恒(heng)溫(wen)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)取(qu)決(jue)於(yu)溫(wen)度(du)采(cai)樣(yang)值(zhi)與(yu)溫(wen)度(du)設(she)定(ding)值(zhi)的(de)特(te)性(xing)，傳(chuan)感(gan)器(qi)本(ben)身(shen)的(de)精(jing)度(du)較(jiao)高(gao)
，其(qi)靈(ling)敏(min)度(du)取(qu)決(jue)於(yu)其(qi)本(ben)身(shen)特(te)性(xing)。若(ruo)是(shi)想(xiang)得(de)到(dao)高(gao)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)電(dian)壓(ya)設(she)定(ding)值(zhi)，則(ze)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)高(gao)穩(wen)定(ding)性(xing)、高精度
、低溫漂的穩壓源。此外
，係統電路也要使用低溫漂、高穩定性的器件。