高精度半导体激光器驱动电源电路设计

激光器恒流电路设计 如图2所示，激光器的恒流控制电路主要由精密采样电路S、反馈电 路U1、积分 电 路U2、限流 电 路U3组成。为了更加直观地设定激光器的电流值，在PC上设定驱动 电 流 值，通过串口把数据传至单片机中。利用数模转换器将把恒流电路中电流对应的恒定电压信号转换成模拟电压输出，数模转换器选用Microchop公司 生 产 的12位双通道缓冲电压输出数模转换器MCP4922，由精密基准电压源为通道1提供2． 5V的参考电压。MAX1978中的内部产生的1． 5V基准为通道2提供基 准 电 压 源。设定电流需转换为MCP4922的模拟电压输出，该芯片输出的模拟电压信号V(即为图2中U2的同相端V－)与12位数字信号D之间的关系为:V=D/4096 ×G0×V
D为STC12单 片 机 发 送 给MCP4922的 数 字 信号，G0为内部增益，Vr为参考电压值。 采用反馈电路实时监控激光器的驱动电流。如图2所示，1/2采样电阻Ｒs端的电压值表征恒流电路中的电流 值。由于分布反馈式激光器(distributed feed-back，DFB)的驱动电流较小，最 大 电 流 不 能 超 过120mA，采样电阻两端的电压较小，必须将采样信号进行放大。为此本文中采用BUＲＲ-BＲOWN公司生产的高速INA143电压差分放大器芯片对采样信号进行差分放大，其输出电压与电流之间的关系如下所示:
VS=I × Ｒs×G1(2)
式中，VS为INA143的输出电压，I为激光器电流值，Ｒs为采样电阻的阻值，取为2Ω，G1为INA143的增益系数，取为10。
 
为了使得设定电流和实际电流相等，必须保证设定电流对应的电流驱动电压恒定。如图2所示，差分放大器的输出端经过电阻Ｒ1后，连接至运算放大器U2，该放大器选用ADI公司生产的低噪声COMS轨至轨精密运算放大器AD8606，即AD8606的同相端电压为INA143的 输 出 电 压VS，反相端连接数模转换器MCP4922的输出端。根据运放“虚短”可知，电路工作稳定之后，V+=V－=VS，根据积分电路特性可知，当实际电压VS小于设定电压V－时，积分电路对电容C1进行充电，此时AD8606的输 出 电 压 增 大;反 之，当 实际电压VS大于设定电压V－时，积分电路将对C1进行放电，此时AD8606输出电压降低。当且仅当V－=V时，电容C1停止充放电，AD8606输出稳定的电压，此时驱动电流稳定。
 
在激光器的工作过程中，电流过大很容易毁坏激光器，电流值不能超过激光器能够承受的最大电流值，必须在电路中设置限流保护电路。如图2所示，U3为德州仪器生产的轨对轨功率放大器OPA567，最大电流值可以通过改变限流电阻Ｒl的阻值来设定，同时该电路还需保证稳定的电压输出。如(3)式 所 示，选 用Ｒl=5．76kΩ，此时最大输出电流为2A。根据运算放大器的特点，U3的输出VLD，+满足(4)式。根据图2所示，Ｒ2=Ｒ3=Ｒ4=Ｒ5=10kΩ，则VLD，+=Vin，+。U3实现了限制激光器电流和实现了设定电流对应电压的伴随输出。
 
ILD= 9800 × 1． 18/Ｒl(3)
VLD，+=Vin，+Ｒ3/Ｒ2－ Vin，－Ｒ4/Ｒ5(4) 式中，ILD为流过激光器的最大电流，Ｒl为限 流 电 阻，Vin，+为OPA567的同向输入端电压，即为AD8606的输出端，Vin，－为OPA567的反向输入端电压，此处为0V，VLD，+为激光器的正向输入电压值，即U3的输出电压。
激光器温度控制电路设计
MAX1978是一款集成温度控制芯片，内部集成了场效 应 管、脉 冲 宽 度 调 制(pulse width modulation，PWM)输 出、基 准 电 压 源，温度控制稳定度达±0． 001°C，同时可以通过相关引脚设定流过激光器内部TEC的最大电流和其两端最大电压，保证电流和电压不超过TEC的最大电气参量，并结合外部模拟PID网络，自动调节流过半导体制冷片的电流大小和方向，实现制冷和制热，保证工作温度和设定温度相等。如图3所示，激光器内部集成了半导体制冷片和负温度系 数 热 敏 电 阻，设定参考温度对应的电压值由MCP4922的B输 出 端，连 接 至MAX1978的19引 脚(FB+)，18管脚(FB－)连接至激光器中NTC的输 出端，NTC两端的电压值如(5)式所示。如图4所示，设定温度对应电压值Vt(FB+)与NTC反馈回来的电压值Vf(FB－)差值 进 入MAX1978内 部 偏 差 电 路，内 部偏差信号经过内部精密积分运放和外部模拟PID补偿网络，控制OS1和OS2管脚输出大小和方向不同的电流，进而控制TEC的温度。
 
如图4所 示，当参考电压值大于反馈电压值时，
VOS2＞VOS1，此时处于制冷状态;工作温度降低，当温度降到小于参考温度时，VOS2＜VOS1，电流反向，此时处于制热状态，最终温度处于动态平衡。MAX1978的46管脚(ＲEF)输 出 内 部 基 准 电 压Vr' = 1． 5V，41管脚(MAXV)用于设定TEC两端的最大电压值，由(6)式设定;Ｒ19用于设定流过TEC的最大电流，如(7)式所示:
Vf=Vr'ＲNTC/(ＲNTC+Ｒ30)(5)
VTEC= 4Vr'Ｒ20/(Ｒ20+ Ｒ18)(6)
 
ITEC= ±Vr'Ｒ17/［(Ｒ17+ Ｒ21)(10× Ｒ19)］   (7)式中，ＲNTC为热敏电阻的电阻值，Ｒ30=10kΩ;Vr'为内部参考电压，Vr' =1． 5V;Ｒ17～Ｒ21分别代表电阻的阻值;VTEC为TEC两侧最大电压值，ITEC为流过TEC的 最 大电流。C32，C34，C35，Ｒ29，Ｒ34，Ｒ35组成 了 外 部 模 拟PID网络，电流的大小和方向由该网络调节
 
根据热敏电阻相关知识，电阻与温度的关系见下:ＲNTC=ＲT0exp［B ×(1/T －1/T0)］(8)式中，T0为25°C时的开尔 文 温 度，是 一 个 定 值;ＲT0为NTC在25°C时的电阻值，为10kΩ;T为工作温度;B为NTC的热敏指数，取为3950K。