DPSSL激光器的高精度温控电路设计与实现_曹海源

1、DPSSL 激光器的高精度温控电路设计与实现曹海源 , 王会升 , 张广远 , 黎 伟 , 田方涛(武汉军械士官学校光电技术研究所 , 武汉 430075摘 要 :针对温度变化对于 D PSSL 激光 器工 作波 长及 稳定 性的 影响 问 题 , 提出 了 一种 基于 T EC 和 专用 控制 芯 片 LTC1923的温控方案 , 设计了温控电路及其保护电路 , 实现了 DPSSL 工作温 度的精 确控制 。 首先分析 了 DPSSL 温 控 指标需求和 T EC 热电制冷原理 , 阐述了温控系统组成及原理 ; 然后详细介绍了温控电路及其保护 电路的设 计 , 讨论 了 防电磁干扰措施及注意

2、事项 ; 最后针对某型 D PSSL 激光器负 载 , 测 试了温 控系统 的稳态 误差 、 超调量 等指标 ; 实验 数 据显示 , 该温控系统稳态误差小 , 控制精度达 0. 01 , 能保 证 DPSSL 高稳定 性工作 。关键词 :DPSSL; 温度控制 ; 高精度 ; P WM中图分类号 :V 271. 4; TN248 文献标志码 :A 文章编号 :1671-637X (2010 12-0057-03Design and I mple mentation of a H igh -Precision Te mperature Controlling C ircuit for DPSS

3、LC AO H a i y uan , WANG H uisheng , Z HANG Guangyuan , LIW e, i T I A N Fangtao(O pt o-E lec tron i cs Instit ute , W uhan O rdnance N oncomm issioned O ffice r Schoo, l W uhan 430075, Ch i naA bstract :Considering the i n fluence of chang i n g te m perature to the opera ti o n w ave length and st

4、ability o f D i o de Pu m ped So li d -State Laser (DPSSL , a te m perature controlling sche m e w as proposed wh ich w as co m posed ofTEC and LTC1923, the te m perature con tro lling c ircu it and protection c ircu itw ere desi g ned . The syste m could contro l the operation te m perature o fDPSS

5、L w ith high prec ision . A t firs, t the te mperature -contr o l requ ire m ent of the syste m and t h e ther moe lectric refrigeration pri n ciple o f TEC w ere ana l y zed , and co m position of the syste m w as presen ted . Then, the design of the te m perat u re controlli n g circuit and protec

6、ti o n c ircu itw ere expatiated , the m ethod for ant-i electro m agne tic interference w as presented . The steady state error and overshoo t of the te m perature contr o l syste m w ere m easured for a certa i n DPSSL . The result show ed t h at the steady state error is s m a ll and the precisio

7、n is 0. 01 , w h ic h ensures the high l y stab le operati o n of DPSSL .K ey words :DPSSL ; te m pera t u re con tro; l high precision ; P WM0 引言小型化的半导体泵浦全固态激光器 (DPSSL 具有 体积小、 效率高、 性能稳定、 寿命长等优点 , 在军事、 医 学、 工业等领域有广泛的用途 1-3。 DPSSL 的调 Q 器 件具有高重复频率、 高平均功率和高光 -光转换效率 等优点 , 十分适用于激光雷达、 激光测距和光电对抗等 领域的应用 4。然

8、而 , 在 DPSSL 中 , 激光二极管 (LD收稿日期 :2009-12-17 修回日期 :2010-02-03第 17卷 第 12期 2010年 12月 电 光 与 控 制E l ec tron i cs O ptics&Contro lV o. l 17 N o . 12 D ec . 2010本文的 DPSSL 激光器在稳定工作时泵浦电流 I =75A , 脉宽 W d =240 s , 频率 f =30H z , LD bar 条上的 压降 U =31. 8V , 泵浦效率 45%。由此 可算出 DPSSL 稳定工作时自身的最大发热功率为W =U *I *f *W d (1

9、- 9. 44W(1由于 DPSSL 在实际工作时还会受到环境温度的 影响 , 因此在考虑温控系统的制热、 制冷功率时必须留 有足够大的余量。按照热电制冷器的图形化选择方 法7-8, 本文选用 TEC1-07105作为制热、 制冷工作部件 , 其额定电压为 8. 5V, 最大电流为 4. 6A, 最大热功 率达 22. 8W 。实验测试证明 , 在温控电路的驱动下 , 其输出功率可满足本系统的 DPSSL 在 -20 50 的环境温度范围内稳定工作的要求。TEC 是一种利用帕耳贴 (Pelt i er 效应工作的半导 体热泵 , 非常适用于空间有限和高可靠性的场合。其 工作时冷端产冷量 Q c

10、 , 热端放热量 Q h 分别为9Q c = I T c -(I 2R /2-K (Th -T c (2 Q h = I T h +(I 2R /2-K (Th -T c (3式中 : 为 TEC 的塞贝克系数 ; K 为 TEC 冷热端之间的 总热导 ; R 为 TEC 的总电阻 ; T c , T h 分别为 TEC 冷端温 度、 热端温度 ; I 为 TEC 工作电流。由上式可见 , 调节 TEC 的电流大小可以控制其产 冷量和放热量 ; 改变电流方向可使冷端、 热端互换。 TEC 的工作电压与电流之间的关系是 :U =I R +T h -T c(4由式 (4 可知 TEC 可等效为一个

11、非线形电阻负载 , 可通过控制电压的方式来控制 TEC 中的电流大小。 TEC 的控制模式包括线性模式和脉冲宽度调制 (P WM 模式。与线性模式相比 , 在 P WM 模式下 , 功率管工作在 开关状态 , 具有可靠性高、 热功耗小及电源效率高等优 点。因此 , 本文采用 P WM 控制模式。在 P WM 模式下 , 过去一般采用软件 P I D 算法或是用分立元件组建 PI D 电路。软件算法的控制实时性不高 , 分立的 P I D 电路难 于调试 , 且占用体积大 , 容易引入噪声从而影响温控精 度10。 DPSSL 内部采用的激光工作物质、 晶体等组件价格昂贵 , 若温控电路工作不稳定

12、 , 将发生 TEC 过压、 过 流 , 导致激光器失调、 毁坏贵重组件。因此本文摒弃了 传统的设计思路 , 采用集成了控制与保护功能的专用芯 片来实现 TEC 驱动电路的控制 , 以达到稳定、 精确控制 温度的目标。整体温控方案设计如图 1所示。DPSSL 激光器温控系统由温控电路单元、 电热制 冷器、 LD 热沉、 导热机构等部分组成。温控电路单元 产生控制信号 , 由功率驱动电路进行功率放大后驱动 电热制冷器工作。电热制冷器的冷端通过导热硅脂与 LD 热沉紧密联结 , 热沉与 LD bar 条联结在一起 , 以更好地与 LD bar 条及谐振腔内进行热传导。采用 P t -100铂热敏电

13、阻固定在热沉的适当位置作为温度传感器 , 对激光器内部温度进行实时采样 , 将采样数据和设定 温度进行比对、 运算 , 通过改变控制信号的脉宽和时序 来实现电热制冷器工作状态的自动调节。电热制冷器 的热端通过导热硅胶与导热、 散热机构紧密接触 , 完成 与环境温度的热交换。由此可见 , 温控电路单元、 电热 制冷器、 LD 热沉、 温度采样电阻等构成了一个闭环反 馈系统 , 以实现对激光器内部温度的稳定控制。图 1 DPSSL 激光器温控系统组成框图 F i g . 1 Structure o f DPSSL te m perature contro l syste m2 温控电路设计温控电路

14、采用专用开关模式温控芯片 LTC1923, 它采用固定频率、 电压模式结构来对温度进行控制 , 适 用于光纤通信、 医疗器械、 CPU 温度调节等领域。与一 般采用 PI D 算法的实现方式比较 , 由 LTC1923芯片设 计 TEC 控制器具有体积小、 功耗低、 控制精度高、 输出 效率高等优点11。2. 1 电路原理分析温控电路如图 2所示。图 2 温控电路原理示意图F ig . 2 P rinc i p l e o f temperature contro l circu it58第 17卷电 光 与 控 制基于 LTC1923的温控电路是一个采用负反馈的闭 环控制系统。温度的设定由

15、14位 DA 完成 , 参考电压 由芯片本身的 V REF (2. 50V 提供。前端温度采集是由 高精度、 高热稳定性的精密电阻与 DPSSL 内部的热敏 电阻构成。比较放大器由两级构成 , 第 1级采用零漂 移的仪器放大器 LTC2053, 第 2级是 LTC1923内置的 误差放大器 EA, 在其反相输入 FB 和输出端 EAOUT 之 间接一个 RC 网络 , 可以对回路的控制速度和稳定性 进行补偿。误差放大器的输出与 LTC1923内部振荡器 产生的三角波的大小关系控制着 P WM 比较器输出的 占空比。误差放大器的输出同时被 TEC 电压钳位电 路控制 , 实现对逐个脉冲限流的功能

16、。功率驱动电路 的 4路互补输出驱动一个全桥开关电路 , 为 TEC 提供 双向电流。全桥电路选用互补 N /P沟道 M OS 场效应 管 Si9801, 它提供了导通电阻和门极电容之间较好的 折中 , 有利于减少开关损耗和导通损耗。输出电压值 的波动是输出电感、 电容和工作频率的函数 , 因此 , 为 进一步改进电路功效 , H 桥的两侧用 LC 网络滤掉转换 频率扰动。实验表明 , 10 H 、 22 F 的 LC 滤波网络 和 220k H z 的工作频率就可以保证通过 TEC 的最大电 压波动低于 1%。开关频率由 LTC1923内部晶振和 C T , R T 共同决 定 , R T

17、还决定了三角波振荡器的充、 放电电流以及两 组输出之间的死区时间。 SDSYNC 接地将禁用所有内 部电路 , 为 TEC 提供保护。调节参数让芯片工作在较 高的开关频率下 , 可以使用更小的电感和电容 , 从而减 少 PCB 板的面积。此外 , 为了抑制开关频率引入的高 频噪声 , LTC1923提供了一个 R SL EW 引脚 , 在它与地之 间接一个电阻可以限制输出驱动级的压摆率 , 改善电 路性能。2. 2 保护功能设计该电路具有正常工作指示和功能失效指示功能。当热敏电阻检测到的温度低于设定温度 (本系统实际 工作时设定温度为 50 时 , LTC1923的 H /C端输出 高电平 ,

18、 表示电路正在加热 ; 当热敏电阻检测到的温度 高于设定温度时 , H /C端输出高电平 , 表示电路正在 制冷。在 电路中 采用双 色 LED 来指示 H /C状态。 LTC1923内部有 2个专用比较器用于监测热敏电阻上 的电压 , 若热敏电阻的电压高于 (V S ET -0. 35V 或低 于 0. 2V S ET , 则认为其开路或短路 , 此时 , F AULT 端输 出高电平 , 表示电路工作异常。实验测试是在室温下 进行的 , 温控电路启动后 , 在 50s 内温度可以达到稳 定。系统提供的一系列的保护、 监测功能还有 :1 监 测电流取样电阻 R S 两端电压 , 若所得电压大

19、于以下 3个电压中的任何一个 , LTC1923关断所有外部 M OS -FET:SS 引脚上电压的 1. 5倍 ; I L I M 引脚上电压的 1. 5倍 ; 1. 5V 。 2 SS 端与地之间接一个电容可实现软启 动 , 以遏制电路启动时的浪涌电流。3 防电磁干扰措施及注意事项在本设计中 , 采用 P WM 驱动 TEC, 与线性驱动方 法相比 , 具有电能损耗小、 发热效率高等突出优点 , 其 缺点是场效应管的开关动作引入了较大的噪声 , 容易 对激光器调 Q 电路、 光电探测电路、 信号处理电路等 造成干扰 , 严重时直接导致相关功能失效 , 必须采取相 应的防电磁干扰措施。1 C

20、 T 和 R T 的值分别为 330pF 和 10k , 电路工 作频率 220k H z , 由 R T 决定的死区时间为 90ns 。 R S LEW 的值为 82k , 使输出脉冲的上升和下降时间大约为 90ns , 虽然输出效率略有降低 , 却大大减少了电源中 的高频成分。2 温控电路板的布线要注意尽量减少输出端的 串扰阻抗和电位噪声对输入端的影响。热敏电阻将外 界温度的变化反馈到前端 , 它极容易受到噪声的干扰 , 因此热敏电阻到前置放大器 LTC2053之间的路径采用 大面积地线敷铜进行噪声屏蔽 , 并在 LTC2053的输入 端加低通滤波器 , 以确保反馈信号的质量。3 务必使输

21、出级电流路径最小 , 减小高频电流的 寄生电感 ; 使 P WM 信号尽量远离激光器的强电流脉 冲输入和调 Q 输入 , 减少光噪声。这样可以减少由于 P WM 输出端开关转换给 LTC1923精密输入端电压带 来的噪声干扰。4 温控电路的供电电源应该是独立的 , 不能与激 光器的驱动电路使用同一电源 , 这是因为温控电路在 开始工作时制冷或制热电流会达到 2. 5A, 会引起电 源电压瞬时下降 , 影响激光器正常工作。4 实验结果实验对象为 1. 57 m 波长输出的 KTP 倍频 N d :YAG 激光器 , 该激光器采用 Cr 4+晶体被动调 Q 方式。 激光器工作在 30H z 重频模

22、式 , 激光输出峰值功率为 10mJ , 脉宽 10ns , Ld bar 条总输入功率为 17. 28W 。 在超净室内 (温度 26 , 湿度 25% 对温控电路和负载 进行了实验 , 主要测定温度控制稳态误差、 超调量、 调 节时间等指标。4. 1 温控系统稳态误差测试根据 P t -100铂电阻的温度与电压标定表 , 从 DA 输出相应电压设定温度值 V s , 待系统稳定后测量代表 实际温度的 V t 值 , 测量结果 (取其中有限个测量点 如 表 1所示。 (下转第 63页 自适应性和较高的计算精度 , 将其运用于飞机战伤抢 修备件需求预测是完全可行、 有效的。参 考 文 献1 张

23、建华 . 飞机结构 战伤 抢修 M.北京 :国 防工 业出版社 , 2007. 2 CA I K ail ong , YU K e jie , LV Bopi ng . M ult-i var i able neura lne t w ork adaptive contro l f o r aeroeng i neJ.P roceed i ngs of the 7t h W o rl d Cong ress on Intelli g ent Contro l and A uto m a -ti on (WC IC A , IEEE , 2008(6:8687-8692. 3 程建兴 , 史仪

24、凯 . 基于 E l m an 神 经网络的飞 机电源系 统欠压故障诊断研究 J.电光与控制 , 2009, 16(8:90-92. 4 L I U H ongm e, i WANG Shaop i ng , OUYANG P i ngchao . Faultd i agnos i s i n a hydraulic positi on se rvo sy stem usi ng RBFneura l net wo rkJ.Chinese Journa l o f A eronautics , 2006, 19(4:347-354.5 刘国琴 , 陈谋 , 姜长生 . 基 于神 经网络 的导

25、弹变 结构制导律 J.电光与控制 , 2009, 16(4:42-46.6 吕志胜 , 赖惠成 . 基于 R BF 神经网 络与 RLS 算 法的均衡器 J.计算机工程 , 2009, 35(22:200-202.7 李望西 , 黄长强 , 庞春雨 , 等 . 基 于神经网络 的电视遥 控制导导弹损失率预测 J.电光与控制 , 2009, 16(6:89-92.8 阎平凡 , 张长水 . 人 工神经 网络 与模拟 进化 计算 M.北京 :清华大学出版社 , 2000.9 王光研 , 许宝杰 . R BF 神经网络在旋转机械故 障诊断中的应用 J.机械设计与制造 , 2008, 9(9:57-5

26、9.10 任博 , 张恒喜 , 苏畅 . 基于支持向 量机的飞机 备件需求预测 J.火力与指挥控制 , 2005, 30(3:78-81.(上接第 59页 表 1 稳态误差测试数据Tab le 1 Test data of steady -state error-20-10 0 20 40 50 V s /mV311. 47349. 63387. 79464. 12540. 45578. 61V t /mV311. 94350. 03388. 11464. 34540. 27578. 37由表 1可知在 -20 50 范围内 , 温控系统可 对 DPSSL 的温度进行稳定控制 , 在此范围的平

27、均稳态 误差为 0. 305mV , 误差最大点 -20 处为 0. 47mV, 折 合温度 误 差 0. 47mV 0. 011987=0. 0056 <0. 01 , 满足系统设计指标要求。在低温区 (0 以 下 稳态误差随温度的降低而增大 , 这是因为 TEC 存 在制冷极限。本文采用的 TEC 工作电压为 5V, TEC 极限制冷温度为 -17 。若要进一步降低温度需要加 大 TEC 的工作电压 , 改善 TEC 冷、 热面的导热效果。4. 2 超调量 、 调节时间测试选定 DPSSL 的起点温度为室温 26 , 每次设定不同的温度 , 检测记录 V t 电压数据 , 计算得出其

28、超调量 及调节时间的数据如表 2所示。表 2 超调量 、 调节时间测试结果Tab le 2 Test results of overshoot and regu l ation ti m e-20-10 0 20 40 50 T s /s493329241712由表中数据可见 , 设定温度越高 , 调节时间越短 , 超调量越大。通过调节 R T , C T 可调节 LTC1923的控制 参数 , 兼顾控制稳定性与速度的指标要求。5 结论本文设计的 DPSSL 温控系统温度控制精度高、 稳 定性好 , 满足了激光器稳定输出的要求。采用集成芯 片和 TEC 电热器件简化了电路设计 , 减小了系统体

29、积 , 提高了可靠性和集成度 ; 完善的电流监测、 紧急关 断、 状态报警指示等电路保护功能有效保证了激光器 的安全工作 ; 通过合理选定器件参数、 采用各种工艺措 施有效地抑制了高频干扰 , 保证了温控自身的精度和 系统中其他电路的正常工作。目前 , 应用此温控电路 的 DPSSL 激光器已应用在多型光电测量设备中。参 考 文 献1 CHENG X i ao ji n , N I U Ji nfu , XU Jianqiu . Ther m a l effec t i npa rti a lly L aser -diode -pu m ped slab laser J.A cta O ptica Sinica , 2006, 26(6 :854-858. 2 ZHANG Shua i y, i HUANG Chunx i a , YU G uo le, i et a. l T her -m a l e ffect laser crystal by laser di ode end -pu m ped J.Chinese J L aser ,