基于MAX1968的LD自动温度控制系统设计

LD(激光二极管)由于其波长范围宽、制作简单、成本低、易于大量生产，而且体积小、重量轻、寿命长，因而品种发展快，目前已超过300种，应用范围覆盖了整个光电子学领域，成为当今光电子科学的核心技术，广泛应用于激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等领域，并形成了广阔的市场。

LD缺点是输出特性受温度影响很大，见图1。
  


  
随着温度的升高，需要有更多的载流子注入来维持所需的粒子数反转，LD的阈值电流升高，这会导致LD的能量转化效率降低，将电能转换为热能，发射波长也随着温度的变化发生漂移。如果LD不能快速有效地制冷，则不仪会影响其输出特性，甚至会损坏LD。  

为了保证LD有较长的工作寿命，必须采取ATC(自动温度控制)措施，通过控制LD管芯温度来维持LD正常工作的温度。  

一般ATC是采用半导体TEC(热电制冷器)。TEC是一种没有运动部分的小型热泵，常被运用于空间有限和高可靠性的场合。TEC的功能实现取决于供电电流的方向，通过改变电流方向实现制热或者制冷。本文介绍的芯片MAX1968，是用来控制TEC实现LD的ATC。  

1 LD热电温度控制原理  

LD温度控制的基本原理是：温度传感器实时地测量安放在TEC冷端的激光管温度，期望的工作温度由设定点的电压来表示，它与温度传感器产生的表示LD实际温度的电压通过运放进行比较，产生一个偏差电压，此信号经过相应的硬件和控制算法处理后，输出一定的电压经过驱动电路送给TEC模块，TEC根据流过电流的方向，对LD进行制冷或加热，使得LD稳定在所要求的温度值。LD的温度控制系统必须满足精度高，响应速度快、稳定性好的要求，而且要能实现双向控制，以适应外界温度变化和LD本身工作条件的不确定性。同时，还要考虑到LD的保护问题。  
TEC控制器按输出的工作模式可分成线性模式和开关模式。传统LD的热电温度控制大多采用线性模式的TEC控制器，一个简单的线性驱动TEC电路由两个推挽功率三极管构成，虽然具有电流纹波小且容易设计和制造的优点，但功率效率低、控制精度不高，电路集成度较低，而且存在温度控制“死区”问题。  

本文介绍的MAX1968是高度集成、高性价比、高效率的开关型TEC模块驱动器，采用直接的电流控制。  

2 MAX1968功能及其特点  

MAX1968是一款适用于Peltier TEC模块的开关型驱动芯片，工作于单电源，能够提供±3 A双极性输出，其功能框图如图2所示。


  
MAX1968主要由两个开关型同步降压稳压器组成，100％的占窄比实现了低压差操作。在两个同步降压稳压器输出端配有高效MOSFET，由LX1、LX2引出，经过LC滤波驱动TEC。两个稳压器同时工作产生一个差动电压，直接控制TEC电流，实现TEC电流的双向控制，双极性工作避免了线性驱动所存在的“死区”问题，以及轻载电流时的非线性问题，能够实现无“死区”温度控制。外部控制电路的输出电压加在TEC电流控制输入端CTL1，直接设置TEC电流。一般TEC+接OS2，TEC-接OS1，OS1和OS2不是功率输出，而是用来感测通过TEC的电流，流过TEC的电流由下式确定：


  
式中：RSENSE为TEC电流的感应电阻；VCTL1为外部控制电路的输出电压；VREF为参考电压(1.5 V)。  

假设正向电流为加热，则VCTL1>1.5 V为加热，电流的流向从OS2到OS1，OS1、OS2、CS这3个引脚的电压关系为：VOS2>VOS1>VCS，反之则制冷。  

开关稳压器是按周期运作的，以把功率传输到一个输出端，这种转换方法会在基频及谐波上产生很大的噪声分量，但是在MAX1968中是相位转换并提供互补同相工作周期，所以纹波波形大大减小，抑制了纹波电流和电气噪声进入TEC模块，进而影响LD工作性能。FREQ用来设置内部振荡器的开关频率，当FREQ接地频率为500 kHz，FREQ接电源频率为1 MHz。  

MAX1968片内带有的MOSFET驱动器，减少了外部元件，芯片工作在较高的开关频率下，可以用更小的电感和电容，从而减少PCB(印制电路板)的面积、降低成本。  

为了确保电流控制环的稳定，在COMP端接一补偿电容，此电容的值可由下式确定：


  
式中:f为电流控制环的频率，一般不大于LX1端的滤波谐振频率；gm为环的跨导，典型值为100μA／V；RTEC为TEC阻抗。  

将SHDN引脚置低，MAX1968还可以工作在省电模式。  

芯片还提供了一系列的保护和监测功能：  

a) 限制流过TEC最大的正向和反向电流，而且是独立控制的。可根据使用的TEC在REF和GND之间通过分压电阻，在引脚MAXIP和MAXIN端设置。  
b) ITEC为状态输出，用以监测TEC的电流，是通过CS与OS1之间的电流感应电阻取样，此输出电压与流过TEC的电流成正比。  
c) TEC电压限制功能，MAX1968为TEC提供了最大压差控制，在REF和GND之间通过分压电阻设置VMAx，VMAx在0～1.5 V内变化，而通过TEC的电压为VMAX的4倍。  
d) 模拟控制信号直接精确地设置TEC电流，消除了TEC中的浪涌电流。