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　　摘要：在对激光器的温度控制理论作了深入研究的基础上，为了使激光器工作时温度恒定，设计了一种新型的温度控制电路，电路中采用了ADN8831作为的核心器件，结合PWM控制方案，完成了包括输入级、补偿环节、输出级、滤波电路和保护及检测电路的硬件电路设计。经过实际连接激光器实验，温度控制精度可达0.01℃。电路具有体积小、效率高、可靠性高、驱动能力强等特点，可以为激光器提供恒定的温度控制。

　　关键词：温度控制；半导体激光器；TEC；PID

　　中图分类号：TN722?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）20?0153?03

　　0引言

　　通过对半导体激光器特性的研究，可知温度对激光器的正常工作有着重要的影响。温度会直接影响到半导体激光器的工作参数包括[1]：阈值电流、V?I关系、输出波长、P?I关系等。同时高温也会对激光器产生极大的影响，严重影响其使用寿命和效率。本文采用ADN8831温度控制芯片[3]为激光器提供恒定且可调的工作温度来保证激光器高效率工作。

　　1温度控制芯片介绍

　　根据半导体激光器对温度的要求，选定ADN8831作为激光器的温度控制主芯片。ADN8831芯片是目前最优秀的单芯片高集成度、高输出效率和高性能的TEC驱动模块之一。ADN8831的最大温漂电压低于250mV，能够使设定温度误差控制在±0.01℃左右。在工作过程中，ADN8831输入端的电压值对应一个设定好的目标温度。适当大小的电流流过TEC，使TEC加热或制冷，在这个过程中使激光器表面温度向设定温度值靠近[2]。此芯片还有过流保护功能，可编程开关频率最高可达1MHz。

　　2TEC控制原理

　　TEC（ThermoElectricCooler）实际上是用两种材料不同半导体（P型和N型）组成PN结，当PN结中有直流电流通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中产生吸热或放热效应（帕尔帖效应[4]），就会使PN结表现出制冷或制热的效果，改变电流方向即可实现TEC加热或制冷，调节电流大小即可控制加热或制冷量的输出[5]。利用TEC稳定激光器温度方法的系统框图[6]如图1所示。

　　图1中贴着激光器右侧的是温度传感器，这里使用具有负温度系数的热敏电阻。这个热敏电阻是用来测量安放在TEC表面上的激光器的温度。期望的激光器温度用一个固定的电压值来表示，与热敏电阻产生的电压值通过高精度运算放大器进行比较，比较后产生的误差电压通过高增益的放大器放大，同时补偿网络对因为激光器的冷热端引起的相位延迟进行补偿，补偿后驱动H桥输出，H桥不仅控制TEC电流的大小还能控制TEC电流的方向。当激光器的温度值低于设定点温度值时，H桥会朝TEC一个方向按一定的幅值驱动电流，此时TEC处于加热状态；当激光器的温度值高于设定点温度值时，H桥会减少TEC的电流大小甚至会改变TEC的电流方向，这时TEC就处于制冷状态。当控制环路达到平衡时，TEC的电流的大小和方向就调整好了，激光器温度就会慢慢的向设定好温度靠近。

　　3温控电路设计

　　3.1输入部分设计

　　3.2补偿电路设计

　　PID（ProportionIntegratorDifferentiator）比例积分微分调节补偿网络是TEC温控电路中最关键的部分，它决定了TEC控制器的响应速度和温度稳定性。PID相当于放大倍数可调的放大器，用比例运算和积分运算来提高调节精度，用微分运算加速过渡过程，较好地解决了调节速度与精度的矛盾。PID的数学模型可用式（4）表示：

　　式中：KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

　　在进行修正时，一般采用调节补偿电路参数的方法来使TEC控制系统的响应时间和精度变得更优[9]。在电路设计时，把前级误差运放的输出连接到温度补偿电路的输入管脚上，这样就完成了温度补偿电路的设计，具体电路连接图如图4所示。

　　由于本文中测温目标为激光器，根据设计要求和计算，系统的参数通常这样选取[10]：R5=100kΩ，RH=1MΩ，RF=200kΩ，C1=1μF，C2=10μF和一个330pF的反馈电容。

　　3.3输出部分设计

　　ADN8831是一个差分输出方式的TEC控制器。搭建一个外围H桥电路产生适当的电流来驱动TEC，使其对半导体激光器加热或制冷。如图5所示。

　　图中的P1，P2，N1，N2，OUTA，OUTB分别连到ADN8831的P1，P2，N1，N2，OUTA，OUTB引脚上。TEC控制器设在H桥中间，构成一个不对称桥。ADN8831对H桥的左支采用开关方式驱动，右支采用线性方式驱动，即当开关管N1导通、开关管P1关闭、P2常通、N2常闭时，电流从TEC的OUTB端经TEC流向OUTA端，此为制冷状态；当开关管N1关闭、开关管P1导通、P2常闭、N2常通时，电流从TEC的OUTA端经TEC流向OUTB端，此为致热状态。这种灵活又方便的外接H桥，能更好的提高电源效率，减小纹波电流，增加了散热路径。