应用于蝶形封装半导体激光器的TEC驱动系统

熊平戬，周弟伟

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004)

0 引言

半导体激光器常用于通信、测量、传感等领域，其具有体积小、效率高、成本低、稳定性好等优点[1]。半导体激光器的输出波长和功率主要由激光二极管的PN结注入电流和结温度决定[2]；激光器输出光波长偏移量约为0.2～0.4 nm/℃[3]。在密集波分复用通信系中如果激光器工作温度范围过大，光波长会偏移至波分复用器的窗口之外，造成通信中断的严重故障。因此。有必要采取自动温度控制(ATC)措施，使激光器管芯在预设的温度下稳定工作。

蝶形封装半导体激光器内部集成了热电制冷器(TEC)模块与热敏电阻，ATC的核心思想就是根据热敏电阻的变化不断调整TEC电流，最终实现LD在恒定的温度下工作。本文设计了一种基于MOSFET的TEC驱动系统。采用占空比可调电路和MOSFET(增强型场效应管)来实现激光器TEC电流可调。

1 控制原理

TEC是电流驱动型器件，因此可设计可变电压源来驱动。其原理是根据蝶形激光器中热敏变化调整TEC电流，例如很多激光器的热敏电阻在25 ℃时，热敏电阻阻值为10 kΩ，当温度升高时阻值减小，当温度降低时阻值增大。给激光器供电后，温度等于25 ℃时热敏电阻等效模拟电压Vth等于0，温度大于25 ℃时，Vth在0～5 V单调上升，温度小于25 ℃时，Vth在0～5 V单调下降，因此TEC驱动电路需要在0～5 V区间提供单调升高的制热电流，在0～5 V区间提供单调升高的制冷电流，就能保证激光器一直工作在25 ℃。

如图1所示，占空比调整电路根据Vth的大小调整方波占空比，TEC输入电压调整电路根据连续的方信号输出TEC驱动电压。电流方向控制电路根据Vth调整电流方向，当Vth的正负极性翻转时，TEC的电流方向随之翻转。

图1 激光器TEC驱动系统原理图

2 控制系统的设计

2.1 占空比调节电路的设计

占空比调节电路如图2所示，虚线内为三角波发生电路，由模拟运算放大器(LT1498)、电阻和电容组成。系统启动时运放U1A中U+>U-，运放输出高电平，电容C1开始充电，当U->U+时，运放输出低电平，电容开始放电，周而复始形成三角波。三角波的周期由R1与C1的值决定，C1的一次充放电为一周期。C1的充电时间t满足如下公式[4]：

t=R1C1ln[(V1-V0)/(V1-Vt)].

(1)

式中：V0为电容上的初始电压，V1为电容充电的最高电压，Vt为t时刻电容上的电压值。取R1阻值为100 Ω、C1的值为10 nF、V0的值为0.28 V、V1的值为5 V、Vt最大值为4.72 V；根据式1计算得到电容从0.28 V充电至4.72 V,时间t1为2.82 μs；同理电容从4.72 V放电至0.28 V，时间t2为2.82 μs，因此三角波的一个周期的时间t为5.64 μs。

虚线外部的电路通过瞬时比较Vth与三角波的值产生不同占空比的方波。U2B、U3A和U3B组成了绝对值电路——当Vth>0V时运放U3A有信号输出，U3B输出0电平；当Vth<0 V时运放U3B有反向后的信号输出，U3A输出0电平。U1B将上述两个信号相加形成信号绝对值电路输出|Vth|。当变量|Vth|与三角波比较后，U2B输出不同占空比的方波信号Vg3。

图2 占空比调节电路

2.2 TEC输入电压控制电路

如图3所示，由MOSFET、整流二极管和LC滤波电路组成了一个串联式开关电源输出电路。其中L1是储能滤波电感，它的作用是在控制Q5(MOSFET)接通期间限制大电流通过，防止输入电压+5 V直接加到负载TEC上，对负载TEC进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制Q5关断期间把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C3是储能滤波电容，它的作用是在Q5导通期间把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在Q5关断期间把电荷转化成电流继续向负载TEC提供能量输出；D1是整流二极管，主要功能是续流作用，其作用是在Q5关断期间给储能滤波电感L1释放能量提供电流通路。

Q5导通期间t时刻电路输出电流表达式如下：

(2)

式中：i(0)为MOSFET导通时的初始电流，Ui为输入电压，Uo为输出电压。

Q5断开期间t时刻电路输出电流表达式如下[5]：

(3)

式中：iLm为Q5导通瞬间或断开瞬间的电流。

从式(2)和式(3)中可得出当Q5导通和断开的瞬间电流不会直接降为0，而是与输出电压和电感相关，此时方波电压滤波成了相对稳定的连续电压输出。

图3 TEC输入电压控制电路

2.3 电流方向控制电路

电流方向控制电流如图4所示。电路由两个运算放大器、两个N沟道MOSFET(Q1和Q3)、两个P沟道MOSFET(Q2和Q4)组成。当Vth大于0时，Vg1和Vg2的电平值分别为+5 V和0 V；此时Q2和Q4导通，电流方向为A→B。当Vth小于0时，Vg1和Vg2的电平值分别为0 V和+5 V；此时Q1和Q3导通，电流方向为B→A。

图4 电流方向控制电路

3 电路仿真和结果分析

通过电路仿真，输出的三角波波形如图5所示，三角波的周期约为10 μs，而理论计算值为5.64 μs。根据LINEAR TECHNOLOGY公司提供的芯片资料，LT1498接5 V电压时，上升或下降斜率为2.5 V/μs，本次设计的电压为5 V，因此上升时间和下降时间各为2 μs，一个周期内为4 μs。考虑这个因数，仿真值应是理论计算值与芯片上升沿与下降沿之和，所以三角波一个周期的时间为9.6 μs。与仿真结果基本符合。

设Vth随时间从-5 V～+5 V变化，周期5 ms，如图6所示。因MOSFET内阻很小，Vx的电压约等于TEC两端的电压，所以仿真中测试TEC两端的电压VA→B，TEC电压值V波形图如7所示(TEC等效阻值设为1 Ω、TEC中A端至B端的电压)，从图中可看出当Vth大于0时，电压为负，即电流从B端流向A端，TEC工作在制热状态，电压最大值为0 V(电流为0制热能力最弱)，最小值为-5 V(电流最大制热能力最强)；当Vth小于0时，即电流从A端流向B端，TEC工作在制冷状态，电压值得最大值为5 V(电流最大制冷能力最强)，最小值为0(电流为0制冷能力最弱)。

图5 三角波发生电路仿真结果

图6 Vth波形图

图7 TEC两端电压

4 总结

本文设计的MOSFET蝶形封装激光器TEC驱动系统，利用三角波发生器和运放组成了方波占空比可调电路，然后控制MOSFET输出-5 V～+5 V电压来驱动TEC制热和制冷。经计算和仿真，本文设计的电路可以用于蝶形封装激光器的TEC驱动，实现了TEC驱动电路在0～5 V区间提供单调升高的制冷电流，在0～5 V区间提供单调升高的制热电流的设计要求。