熊平戩，周弟偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

半導(dǎo)體激光器常用于通信、測量、傳感等領(lǐng)域，其具有體積小、效率高、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。半導(dǎo)體激光器的輸出波長和功率主要由激光二極管的PN結(jié)注入電流和結(jié)溫度決定[2]；激光器輸出光波長偏移量約為0.2～0.4 nm/℃[3]。在密集波分復(fù)用通信系中如果激光器工作溫度范圍過大，光波長會(huì)偏移至波分復(fù)用器的窗口之外，造成通信中斷的嚴(yán)重故障。因此。有必要采取自動(dòng)溫度控制(ATC)措施，使激光器管芯在預(yù)設(shè)的溫度下穩(wěn)定工作。

蝶形封裝半導(dǎo)體激光器內(nèi)部集成了熱電制冷器(TEC)模塊與熱敏電阻，ATC的核心思想就是根據(jù)熱敏電阻的變化不斷調(diào)整TEC電流，最終實(shí)現(xiàn)LD在恒定的溫度下工作。本文設(shè)計(jì)了一種基于MOSFET的TEC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用占空比可調(diào)電路和MOSFET(增強(qiáng)型場效應(yīng)管)來實(shí)現(xiàn)激光器TEC電流可調(diào)。

1 控制原理

TEC是電流驅(qū)動(dòng)型器件，因此可設(shè)計(jì)可變電壓源來驅(qū)動(dòng)。其原理是根據(jù)蝶形激光器中熱敏變化調(diào)整TEC電流，例如很多激光器的熱敏電阻在25 ℃時(shí)，熱敏電阻阻值為10 kΩ，當(dāng)溫度升高時(shí)阻值減小，當(dāng)溫度降低時(shí)阻值增大。給激光器供電后，溫度等于25 ℃時(shí)熱敏電阻等效模擬電壓Vth等于0，溫度大于25 ℃時(shí)，Vth在0～5 V單調(diào)上升，溫度小于25 ℃時(shí)，Vth在0～5 V單調(diào)下降，因此TEC驅(qū)動(dòng)電路需要在0～5 V區(qū)間提供單調(diào)升高的制熱電流，在0～5 V區(qū)間提供單調(diào)升高的制冷電流，就能保證激光器一直工作在25 ℃。

如圖1所示，占空比調(diào)整電路根據(jù)Vth的大小調(diào)整方波占空比，TEC輸入電壓調(diào)整電路根據(jù)連續(xù)的方信號(hào)輸出TEC驅(qū)動(dòng)電壓。電流方向控制電路根據(jù)Vth調(diào)整電流方向，當(dāng)Vth的正負(fù)極性翻轉(zhuǎn)時(shí)，TEC的電流方向隨之翻轉(zhuǎn)。

圖1 激光器TEC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 占空比調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)

占空比調(diào)節(jié)電路如圖2所示，虛線內(nèi)為三角波發(fā)生電路，由模擬運(yùn)算放大器(LT1498)、電阻和電容組成。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)運(yùn)放U1A中U+>U-，運(yùn)放輸出高電平，電容C1開始充電，當(dāng)U->U+時(shí)，運(yùn)放輸出低電平，電容開始放電，周而復(fù)始形成三角波。三角波的周期由R1與C1的值決定，C1的一次充放電為一周期。C1的充電時(shí)間t滿足如下公式[4]：

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

(1)

式中：V0為電容上的初始電壓，V1為電容充電的最高電壓，Vt為t時(shí)刻電容上的電壓值。取R1阻值為100 Ω、C1的值為10 nF、V0的值為0.28 V、V1的值為5 V、Vt最大值為4.72 V；根據(jù)式1計(jì)算得到電容從0.28 V充電至4.72 V,時(shí)間t1為2.82 μs；同理電容從4.72 V放電至0.28 V，時(shí)間t2為2.82 μs，因此三角波的一個(gè)周期的時(shí)間t為5.64 μs。

虛線外部的電路通過瞬時(shí)比較Vth與三角波的值產(chǎn)生不同占空比的方波。U2B、U3A和U3B組成了絕對(duì)值電路——當(dāng)Vth>0V時(shí)運(yùn)放U3A有信號(hào)輸出，U3B輸出0電平；當(dāng)Vth<0 V時(shí)運(yùn)放U3B有反向后的信號(hào)輸出，U3A輸出0電平。U1B將上述兩個(gè)信號(hào)相加形成信號(hào)絕對(duì)值電路輸出|Vth|。當(dāng)變量|Vth|與三角波比較后，U2B輸出不同占空比的方波信號(hào)Vg3。

圖2 占空比調(diào)節(jié)電路

2.2 TEC輸入電壓控制電路

如圖3所示，由MOSFET、整流二極管和LC濾波電路組成了一個(gè)串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電路。其中L1是儲(chǔ)能濾波電感，它的作用是在控制Q5(MOSFET)接通期間限制大電流通過，防止輸入電壓+5 V直接加到負(fù)載TEC上，對(duì)負(fù)載TEC進(jìn)行電壓沖擊，同時(shí)對(duì)流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲(chǔ)，然后在控制Q5關(guān)斷期間把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出；C3是儲(chǔ)能濾波電容，它的作用是在Q5導(dǎo)通期間把流過儲(chǔ)能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在Q5關(guān)斷期間把電荷轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負(fù)載TEC提供能量輸出；D1是整流二極管，主要功能是續(xù)流作用，其作用是在Q5關(guān)斷期間給儲(chǔ)能濾波電感L1釋放能量提供電流通路。

Q5導(dǎo)通期間t時(shí)刻電路輸出電流表達(dá)式如下：

(2)

式中：i(0)為MOSFET導(dǎo)通時(shí)的初始電流，Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓。

Q5斷開期間t時(shí)刻電路輸出電流表達(dá)式如下[5]：

(3)

式中：iLm為Q5導(dǎo)通瞬間或斷開瞬間的電流。

從式(2)和式(3)中可得出當(dāng)Q5導(dǎo)通和斷開的瞬間電流不會(huì)直接降為0，而是與輸出電壓和電感相關(guān)，此時(shí)方波電壓濾波成了相對(duì)穩(wěn)定的連續(xù)電壓輸出。

圖3 TEC輸入電壓控制電路

2.3 電流方向控制電路

電流方向控制電流如圖4所示。電路由兩個(gè)運(yùn)算放大器、兩個(gè)N溝道MOSFET(Q1和Q3)、兩個(gè)P溝道MOSFET(Q2和Q4)組成。當(dāng)Vth大于0時(shí)，Vg1和Vg2的電平值分別為+5 V和0 V；此時(shí)Q2和Q4導(dǎo)通，電流方向?yàn)锳→B。當(dāng)Vth小于0時(shí)，Vg1和Vg2的電平值分別為0 V和+5 V；此時(shí)Q1和Q3導(dǎo)通，電流方向?yàn)锽→A。

圖4 電流方向控制電路

3 電路仿真和結(jié)果分析

通過電路仿真，輸出的三角波波形如圖5所示，三角波的周期約為10 μs，而理論計(jì)算值為5.64 μs。根據(jù)LINEAR TECHNOLOGY公司提供的芯片資料，LT1498接5 V電壓時(shí)，上升或下降斜率為2.5 V/μs，本次設(shè)計(jì)的電壓為5 V，因此上升時(shí)間和下降時(shí)間各為2 μs，一個(gè)周期內(nèi)為4 μs。考慮這個(gè)因數(shù)，仿真值應(yīng)是理論計(jì)算值與芯片上升沿與下降沿之和，所以三角波一個(gè)周期的時(shí)間為9.6 μs。與仿真結(jié)果基本符合。

設(shè)Vth隨時(shí)間從-5 V～+5 V變化，周期5 ms，如圖6所示。因MOSFET內(nèi)阻很小，Vx的電壓約等于TEC兩端的電壓，所以仿真中測試TEC兩端的電壓VA→B，TEC電壓值V波形圖如7所示(TEC等效阻值設(shè)為1 Ω、TEC中A端至B端的電壓)，從圖中可看出當(dāng)Vth大于0時(shí)，電壓為負(fù)，即電流從B端流向A端，TEC工作在制熱狀態(tài)，電壓最大值為0 V(電流為0制熱能力最弱)，最小值為-5 V(電流最大制熱能力最強(qiáng))；當(dāng)Vth小于0時(shí)，即電流從A端流向B端，TEC工作在制冷狀態(tài)，電壓值得最大值為5 V(電流最大制冷能力最強(qiáng))，最小值為0(電流為0制冷能力最弱)。

圖5 三角波發(fā)生電路仿真結(jié)果

圖6 Vth波形圖

圖7 TEC兩端電壓

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的MOSFET蝶形封裝激光器TEC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用三角波發(fā)生器和運(yùn)放組成了方波占空比可調(diào)電路，然后控制MOSFET輸出-5 V～+5 V電壓來驅(qū)動(dòng)TEC制熱和制冷。經(jīng)計(jì)算和仿真，本文設(shè)計(jì)的電路可以用于蝶形封裝激光器的TEC驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了TEC驅(qū)動(dòng)電路在0～5 V區(qū)間提供單調(diào)升高的制冷電流，在0～5 V區(qū)間提供單調(diào)升高的制熱電流的設(shè)計(jì)要求。