大功率半导体激光器温度控制系统的设计

崔国栋，吕伟强，郑 毅

(固体激光技术重点实验室，北京100015)

1 引言

温度对半导体激光器二极管的波长、使用寿命和输出功率都有很大的影响。所以，必须给激光二极管提供恒定而且能够精密调整的工作温度，才能保证激光二极管稳定工作。传统的温度控制系统由单片机控制，采用传统的PID算法实现，其功率一般偏小，而已有的大功率温度控制系统存在控温时间长、精度低等问题，无法满足大功率半导体激光器对温度的要求。鉴于以上原因，采用C8051F021单片机，改进PID算法，优化硬件设计，满足了大功率半导体激光器对温度控制的要求［1－3］。

2 实验方案

2.1 硬件设计

激光器温度控制系统的硬件电路整体框图如图1所示。温度采样电路将LD的实际温度值送给单片机C8051F021，单片机将此温度值与设置温度值经PID计算后转换成PWM信号，经过光电隔离，由IRF2184驱动半导体致冷器TEC加热或制冷，从而实现对LD的恒定温度控制，图中PVDD为TEC供电电压，本文中该电压为72 V。

温度传感电路采用热敏电阻采样温度，其灵敏度高，体积小，阻值变化与温度呈反比。为了提高温度采样精度，本电路采用稳流源REF200，其提供稳定电流100μA±0.5%，采样电压送入单片机进行A/D转换，得到数字量，计算出热敏电阻阻值，在单片机中查找厂家提供的表格，可以得到当前TEC温度。单片机的A/D分辨率为10位，经测量，温度精度可达到±0.1℃。

图1 温度控制系统的硬件电路整体框图

TEC驱动电路采用的是自举式驱动电路，驱动芯片采用的是IRF2184，其自带500 ns的死区时间，提供的门极驱动电压为14 V。TEC的额定工作电压为24 V，功率为250 W，试验中需要两片TEC串联使用。此外，采用PWM方式驱动TEC，要保证TEC正常工作，纹波电压必须小于10%，所以在输出端采用LC滤波器［4］，LC参数值计算公式为:

式中，R为负载内阻;Fc为截止频率。

由于PWM电路具有很高的频率和很高的瞬态功率，存在较为严重的开关干扰，如果滤波处理不当，尖峰电流和冲击噪声会损坏MOS管，在电源脚处加220μF电容滤掉低频干扰，加2.2μF电容滤掉高频干扰。

2.2 温度控制系统软件的设计

数字PID控制在生产过程中是一种普遍采用的控制方法［5］。这里对数字PID算法进行改进后的表达式为:

式中，k为采样序号，k=1，2，…;e(k－1)和e(k)分别为第(k－1)和第k时刻所得的偏差信号;u(k)为全量输出;a为温度范围，温度超过此范围时全脉宽输出。从式(1)可看出，该算法并没在全温度范围内都采用PID算法，而是在温度偏离设置温度较大时，采用全脉宽制冷或加热，此时输出功率最大，可以迅速减小温差。当采样温度接近设置温度时，采用PID调节，比例环节可以控制调节速度，积分环节可以消除静差，提高精度，微分环节可以降低温度瞬间变化对输出结果的影响。图2为改进后PID算法子程序流程图。

图2 改进后PID算法子程序流程图

当算法中引进积分量后，如果温差过大，加上温度的滞后性，很容易造成积分项累计过大，温度稳定需要的时间延长。这里给积分项设定两个极限值，可以减少上面原因造成温度稳定需要的时间。同时，算法中加入温度采样滤波程序，排除干扰造成的温度抖动。

3 试验结果

试验条件为室温环境，工作频率为28.8 kHz，最大占空比设置为72%，最小占空比设置为18%，设置控温温度为20℃，判断到温依据为是否控温到(20±1)℃内，负载热量模拟LED工作时释放的热量，采用加热陶瓷片模拟LED，最大负载热量是指系统能控温到设置温度附加的最大负载热量。试验中热源最大输出热量为102.65 W，满足LED工作释放的热量要求，表中“——”表明负载热量为102.65 W时，系统能正常控温到设置温度。表1为温度控制系统在不同温度下控温到20℃需要的时间和最大负载热量。表1中数据说明该温控系统在60℃以上，效率会降低很多，最大输出功率可达到480 W，控温精度达到±0.1℃。

表1 在不同环境温度下温度控制系统控温到20℃需要的时间和最大负载热量

图3所示为MOS管两端电压互补，开通和关断间死区时间大约为500 ns，图4为达到设置温度后流过TEC的电流波形，同时显示电流根据温度变化实时进行调整。

图3 MOS管开通和关断间的死区时间

图4 控温系统稳定后流过TEC的电流波形

图5 中竖轴代表温度，横轴代表时间(以10 s为一个单位，图中2代表20 s)。该试验数据的工作条件为:LD环境为30℃，设置温度为20℃，开启温控，由图可看出LD稳定到20℃时需要40 s，最大超调为－1.1℃，控温精度达到±0.1℃，在70 s时给LD突加102.65 W的热源，可见温度最大偏离0.7℃，随后经过30 s，温度再次达到20℃。

图5 温度变化曲线图

在实验中加入了电压和电流保护功能，当出现电压故障和电流故障时，系统自动关闭电源，快速有效地保护了电源系统。如图6所示温度控制系统模块化，方便插拔维修。同时将电路板单独置于－40～55℃的环境下，重新做上面的试验，结果显示电路板在要求的温度范围内可以正常工作，而且满足各项指标。

图6 模块化的控温系统板

4 总结

本文基于C8051F021单片机，改进PID控制算法，建立大功率半导体激光器温度控制系统。试验表明:该电路可以快速有效地对半导体激光器的工作温度进行控制，控温精度可达±0.1℃，使其工作在设置的稳定环境下，有效地保证激光器的安全和发射波长的稳定性。

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