基于MAX1968的半导体激光温控电路设计

摘要：讨论了一种半导体激光温度控制电路的设计方案，能够实时监视和控制激光器温度，以稳定激光器的输出功率和波长。控制核心采用PIC16C73单片机来实现对整个系统的精确控制。热电致冷器驱动电路采用高集成、高性价比和高效率开关型驱动芯片MAX1968来实现。与传统的分立元件设计方法相比，简化了80%的电路设计。实验结果表明，激光器的温度控制精度达到±0.1℃。
关键词：MAX1968; 单片机; 热电致冷器; 半导体激光器; 温度控制器; 

1  引　言

由于体积小、功耗低、寿命长和易于调制，半导体激光器( Laser Diode)作为一种新型激光光源已广泛应用于通讯、医疗和测量等各个领域 ^[1]。LD易于调制的特点在于LD的输出波长易受温度和注入电流的影响。普通LD的电流调制系数约为0.025nm/mA,；温度调制系数约为0.3～0.4nm/℃^[2]。在对波长稳定性要求较高的场合，诸如干涉测量和光谱吸收气体检测待高精度测量应用中，必须对LD温度进行精确控制。本文提供的设计方案能为半导体激光器的温度控制提供有效支持。

2  硬件电路设计

半导体激光温度控制器由MICROCHIP公司生产的PIC16C73单片机和MAXIM公司生产的TEC驱动芯片MAX1968组成，主要包括温度反馈电路、TEC驱动电路、EEPROM存储电路和键盘数码管显示控制电路。温度控制电路利用热敏电阻反馈LD管芯温度，AD转换器对该反馈信号进行AD转换并输入单片机，单片机将其与给定电压比较，在进行数字PID算法^[3]处理后，单片机控制DA转换器输出模拟控制电压给MAX1968，从而调整MAX1968输出到TEC的电流方向及大小。TEC 根据流过电流信号对激光器进行制冷或加热，使激光器温度稳定在所要求的值。激光器温控系统须满足控制精度高、温度稳定性好的要求，另外必须进行双向控制， 以适应环境温度变化和激光器工作条件变化。整个系统结构如图1所示。

图1  半导体激光温度控制器系统结构示意图

LD：激光发射管，PD：功率监视器，TEC：热电致冷器

2.1       MAX1968 TEC驱动电路

热电致冷器(TEC)是利用帕耳贴(Peltier)效应进行制冷或加热的半导体器件。在TEC两端加上直流工作电压会使TEC的一端发热，另一端致冷；把TEC两端的电压反向则会导致相反的热流向。

常用的TEC温度控制电路大多采用分立元件搭建的PID 电路，但分立电路需要进行参数整定, 一般都是靠调试人员根据其经验确定参数值, 也并不总是能达到控制要求, 而且分立电路容易引入噪声, 影响控制精度。另外, 由于目前半导体激光器内部通常集成了热敏电阻和TEC, 价格比较昂贵, 若发生TEC过压、过流情况, 容易把激光器烧坏, 搭建温控系统时还须考虑到激光器的保护问题。因此, 传统的温控系统很难完成半导体激光器的温度控制要求, 而集成了控制电路与各种保护功能的专用芯片能够较好地完成精确温度控制的任务。

MAX1968是MAXIM公司推出的高度集成、高性价比和高效率开关型驱动器，适用于Peltier热电制冷器模块。它采用直接电流控制，消除了TEC中的浪涌电流。片内FET在提供高效率的同时，尽可能地减少了外部元件。500kHz/1MHz开关频率和独特的纹波消除电路减小了元件的尺寸和电源噪声。MAX1968单电源工作，在芯片内部的两个同步降压稳压器输出引脚之间连接TEC，能够提供±3A双极性输出。双极性工作能够实现无“死区”温度控制，以及避免了轻载电流时的非线性问题。该方案通过少许加热或制冷可避免控制系统在调整点非常接近环境工作点时的振荡。MAX1968采用薄型28引脚TSSOP-EP封装，工作于-40℃到+85℃的温度范围。

图2所示为激光温度控制器的TEC驱动电路原理图。热敏电阻R_t上的电压信号代表温度的变化，该信号经过运放U5 OP07隔离后送至U6进行AD转换，AD转换器采用MICROCHIP公司生产的单通道12位AD转换芯片MCP3201，接口方式为SPI串行协议。MCP3201将转换后的数字信号送入PIC16C73单片机。单片机先将采集到的温度信号进行数字滤波，再与设定的温度值比较并进行数字PID处理。之后单片机输出控制信号至DA转换器U5，DA转换器根据单片机送来的控制信号输出一个模拟控制电压至MAX1968的CTLI引脚上，从而精确地设置连接在MAX1968 OS1与OS2引脚之间的TEC U4上所通过的电流方向与大小。DA转换器选用MICROCHIP公司生产的单通道12位引脚DA芯片MCP4921，接口方式为SPI串行协议。MAXIP和MAXIN引脚分别用来设置允许通过TEC的加热和制冷电流的最大值，而MAXV引脚用来设置允许加在TEC两端的最大电压。ITEC引脚的输出电流与TEC中通过的电流具有线性关系，可以利用它实时监测TEC中通过的电流大小。此外MAX1968还提供了一个引脚 ，在器件不工作的时候将其电平拉低可以设置器件为关断模式，从而减小器件功耗。

图2  TEC驱动电路原理图

2.2       HD7279A键盘和数码管显示控制电路

HD7279A是北京比高科技公司推出的串行接口8位LED数码管及64键键盘智能控制芯片，单芯片即可完成数码管显示和键盘接口的全部功能。HD7279A内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并提供2种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移和段寻址等。

在HD7279A检测到有效按键时，其 引脚由高电平变为低电平，同时在单片机RB0引脚上触发中断。中断发生后，单片机在RC0引脚输出低电平（即HD7279A片选信号 变为低电平）选择HD7279A器件，并通过串口协议发出“读键盘数据命令”，HD7279A接收到该命令后，在CLK引脚的上升沿将检测到的按键代码从DATA引脚输出至单片机。单片机根据按键代码进行相应的处理。

在显示数据时，单片机RC4引脚输出的串行数据从HD7279A DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号 变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入器件内部的缓冲寄存器并显示。

2.3       EEPROM存储电路

　　 为使掉电后上次设定的参数不至于丢掉，系统还采用了MICROCHIP公司生产的串行EEPROM-24LC02进行掉电前的参数存储，接口方式为I2C串口协议。另外，由于热敏电阻R_t的阻值会随温度的增加呈指数规律递减，故代表温度变化信号R_t上的电压也呈现出非线性变化。因此在软件处理中采用查表的方式来确定实测的温度值。在24LC02中预先存储有10~55℃范围内的温度-电压对应值以备查询。

3        软件设计

系统软件采用汇编语言进行模块化结构设计，主要由键盘、显示、温度采集AD转换、温度控制DA输出、存储器读写和PID数据处理等子程序构成。图3为主程序、中断服务程序和中断服务子程序流程图。

图3  系统程序流程图

4        实验结果

图4为90分钟内每隔5分钟测量一次所获得的半导体激光器温度控制的实验数据。激光器购自北京海特光电公司，型号FLMS-1310-112。器件封装内集成热敏电阻和TEC，额定工作电流28.5mA。实验时环境温度为23℃，激光二极管的工作温度设置为25℃。从图中曲线可以看出，系统稳定后，激光二极管的温度基本稳定在25℃左右，偏差在±0.1℃内。

图4  半导体激光器温度稳定曲线

5           结    论

本文设计的半导体激光温度控制器经过实践表明：该控制器可以有效地对激光二极管的工作温度进行控制，电路的控制性能令人满意。相比传统的激光温度控制方案，本文提出的设计方案创新之处在于：采用了MAX1968 TEC驱动芯片和HD7279A键盘和数码管显示控制芯片，大大减少了电路分立元件的数量，改进了系统噪声性能，增加了系统的可靠性；采用PIC16C73单片机进行实时控制，并对信号进行数字滤波、数字PID处理等措施，减少了设计成本，增加了设计的灵活性。

6  致　　谢

本课题由国家自然科学基金项目10574081资助，并感谢姚敏言老师和薛理立的辛勤工作。

参考文献:

[1] 　孙晓明. 半导体激光干涉理论及应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 1998, 5-8.
[2] 　唐文彦,周延周,朱茂华等. 半导体激光器高精度温度控制系统的设计[J]. 哈尔滨工业大学学报, 1994 26(4) : 29-30.
[3] 　张利娟,赵转萍,杨明. 高精度温度控制的实现[J]. 微计算机信息, 2003 19(11) : 23-24.