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(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京 100036)
近年來,隨著半導體技術的突飛猛進,DFB激光器因其光束質(zhì)量高、譜線寬度窄,在國防、工業(yè)、生物、醫(yī)學和通信等很多領域都有重要的應用[1]。然而,由于激光器功率密度高、溫度敏感度強,其發(fā)射譜線漂移、倍頻晶體的相位匹配等對環(huán)境溫度十分敏感[2]。想要推進半導體激光器在各個行業(yè)的優(yōu)勢應用,需設計性能優(yōu)秀的半導體激光器驅(qū)動[3]。針對激光器驅(qū)動電源高精度溫控系統(tǒng)性能和激光器功率控制要求,設計并實現(xiàn)一種以STM32為控制核心的DFB激光器驅(qū)動電源。該電源具有雙路TEC分別對激光器泵浦和晶體進行溫度控制,并利用壓控恒流源控制激光器驅(qū)動電流,實現(xiàn)帶有雙路TEC溫控的功率可調(diào)DFB激光器驅(qū)動控制功能。無論是從激光器驅(qū)動性能提高,還是市場經(jīng)濟性,都有十分重要的意義。
DFB激光器驅(qū)動電源設計原理如圖1所示。
圖1 DFB驅(qū)動電源設計原理圖
驅(qū)動電源系統(tǒng)主要包括:STM32控制核心、電源電路、溫度采樣電路、光功率采樣電路、DA輸出電路、TEC驅(qū)動電路、LD驅(qū)動電路和RS485串口通訊電路等主要部分組成。
由于STM32具有豐富外設接口,浮點型運算可進一步提高運算效率與精度[4]。因此,系統(tǒng)選用STM32為核心處理器,實現(xiàn)DFB驅(qū)動電源數(shù)據(jù)采樣、控制運算與輸出調(diào)節(jié)。
常見的半導體激光器驅(qū)動工作模式有兩種[5],一種是恒電流工作模式,另一種是恒功率模式。恒電流模式下,驅(qū)動電源通過設定LD驅(qū)動電流值,并對LD驅(qū)動電流進行采樣,調(diào)節(jié)輸出電流值以達到電流恒定;恒功率模式下,驅(qū)動電源通過光功率采樣電路,采集泵浦實際發(fā)光功率,調(diào)節(jié)LD驅(qū)動電流實現(xiàn)恒功率控制。
兩工作模式下,驅(qū)動電源均可控制激光器內(nèi)部晶體和泵浦TEC電流,維持晶體和泵浦內(nèi)部溫度穩(wěn)定。
晶體和泵浦TEC以及激光器泵浦驅(qū)動電路均為壓控恒流源模塊。STM32控制核心通過SPI接口,控制DA芯片實現(xiàn)雙路TEC及LD驅(qū)動模塊控制電壓調(diào)節(jié),實現(xiàn)激光器工作點穩(wěn)定。此外,系統(tǒng)具有RS485串口通訊電路,用以實現(xiàn)驅(qū)動電源遠程控制和參數(shù)調(diào)節(jié)。
DFB激光器內(nèi)部設有雙路TEC,分別實現(xiàn)激光器晶體與泵浦的溫度控制。TEC是一種能夠同時進行制冷和加熱的半導體器件,根據(jù)帕爾帖(Peltier)效應[6],當TEC流過單向電流時,它的一面制冷,而另外一面發(fā)熱;若電流反向,則冷熱面互換[7]。TEC發(fā)熱/制冷量與電流大小有關,可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電流大小,實現(xiàn)恒溫控制。
晶體與泵浦內(nèi)部均放置熱敏電阻,采集阻值變化實現(xiàn)各組件的溫度采樣。核心處理器比對溫度設定值與采樣值,對內(nèi)部溫度進行PID閉環(huán)調(diào)節(jié),驅(qū)動TEC進行制冷或加熱,達到溫度恒定控制效果,雙路溫控系統(tǒng)相互獨立,原理相同如圖2所示。
圖2 溫度控制系統(tǒng)原理圖
DFB激光器內(nèi)部設計有光敏二極管,能夠產(chǎn)生與激光器光強大小成線性的受激電流,受激電流大小表征激光器泵浦發(fā)光功率[8]。
激光器驅(qū)動電源根據(jù)應用需要,可進行十檔功率設置。核心控制器通過比較功率設定值與泵浦實際功率值,構(gòu)成發(fā)光功率閉環(huán),利用增強型PI控制方法,調(diào)節(jié)驅(qū)動電源供給LD驅(qū)動電流大小,實現(xiàn)激光器泵浦恒功率控制。
為采集激光器泵浦發(fā)光功率,對光敏二極管受激電流進行采樣。該受激電流流過光功率采樣電路中的精密采樣電阻后,經(jīng)運放調(diào)理電路接入核心處理器,通過AD采樣得到激光器發(fā)光功率。核心處理器根據(jù)發(fā)光功率進行閉環(huán)運算,調(diào)節(jié)LD驅(qū)動模塊的輸出電流,達到激光器功率恒定,控制原理如圖3所示。
圖3 恒功率控制原理圖
TEC利用半導體材料珀爾帖效應制成,通過控制流經(jīng)TEC的電流方向與大小,可實現(xiàn)TEC制冷、加熱及制冷發(fā)熱量控制。由于TEC結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠,在激光器溫控領域得以廣泛應用[9]。
由于DFB激光器內(nèi)部集成有兩路TEC,對應于激光器內(nèi)部晶體與泵浦溫度控制。因此,驅(qū)動電源需要提供兩路TEC驅(qū)動,獨立進行晶體和泵浦TEC驅(qū)動控制。
兩路TEC參數(shù)相同如下:TEC最大電壓均為5 V,其允許通過的最大電流為3.5 A,最高控制溫度可達60℃,滿足激光器25℃理想工作溫度要求。
針對兩路TEC電氣指標,選用鞍山核心電子公司的TEC專用驅(qū)動模塊TEC-5V-4A-D,該模塊輸入電壓5 V,最大輸出電流為4 A,體積小、效率可達90%,可靠性高,符合TEC驅(qū)動設計指標。TEC驅(qū)動模塊及引腳如圖4所示,該模塊控制電路如圖5。
圖4 TEC驅(qū)動模塊及引腳圖
圖5 TEC驅(qū)動模塊控制電路圖
控制核心通過設定TEMPSP引腳電壓,設定驅(qū)動模塊當前控制溫度的指令值。該引腳電壓與2腳參考電壓比例決定TEC驅(qū)動設定溫度,對應范圍為0~100%對應15~50℃。
電阻Rp1、Rd1、Ri1及電容Ci1、Cd1形成外部補償網(wǎng)絡,補償網(wǎng)絡參數(shù)根據(jù)不同TEC進行整定,實現(xiàn)TEC電流快速穩(wěn)定響應。
驅(qū)動模塊與激光器內(nèi)部兩熱敏電阻相連,熱敏電阻是一種對溫度十分敏感的器件,通常由一些金屬氧化物高溫燒結(jié)而成,一般制成珠狀、片狀及杠狀等各種形狀[10]。內(nèi)部集成負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC),該電阻25℃下阻值10 K,10℃時阻值約為20 K,40℃時阻值急劇下降到5 K,溫度感應敏感,精度較高。通常,熱敏電阻的溫度—阻值關系可以用經(jīng)驗公式[11]表征為:
其中:RT為溫度為T時的阻值,A為與熱敏電阻材料結(jié)構(gòu)相關的具有電阻量綱的參數(shù),β為熱敏電阻固有阻值系數(shù),T為絕對溫度。
驅(qū)動模塊根據(jù)熱敏電阻當前阻值,根據(jù)電阻阻值表及β值,得到激光器內(nèi)各部位溫度,實現(xiàn)激光器內(nèi)部溫度檢測。控制器比對溫度設定值與實際反饋值,對TEC進行驅(qū)動輸出控制,實現(xiàn)系統(tǒng)的恒溫控制。
LD泵浦源需驅(qū)動電路產(chǎn)生恒流源,且輸出穩(wěn)定無浪涌電流。
設計電源驅(qū)動的激光器所需電流0~1.5 A連續(xù)可調(diào),LD端電壓0~2.4 V,選用ATLS1.5A104D驅(qū)動模塊進行LD控制。
ATLS1.5A104D為ADI公司LD驅(qū)動專用模塊,該模塊滿幅時輸出電流噪聲小于0.95 μA,電流階躍響應時間小于200 nS,具有良好輸出穩(wěn)定性與快速性。外部DAC取內(nèi)部參考基準電壓,并給定電流設定引腳,調(diào)節(jié)模塊驅(qū)動電流,驅(qū)動模塊及引腳如圖6所示。
圖6 LD驅(qū)動模塊及引腳圖
設計驅(qū)動模塊外圍電路如圖7所示。
圖7 LD驅(qū)動模塊控制電路圖
通過設定LD驅(qū)動模塊LIMS及LIM引腳電壓,分別設定當前驅(qū)動電流限值與輸出值。其中,LIMS引腳電壓可對LD驅(qū)動模塊最大輸出電流進行限制,LD驅(qū)動輸出電流不大于該引腳設定的最大值,從而為激光器泵浦提供過流保護功能,LIM引腳為LD驅(qū)動模塊輸出電流進行設定,設定電壓0~2.5 V線性對應于驅(qū)動電流0~IMAX,其中IMAX為LIMS腳設定的最大輸出電流值。
SBDN腳為驅(qū)動模塊工作模式設定腳,電阻R47、R48、R49為工作模式設定電路,通過控制器I/O引腳不同輸出狀態(tài),調(diào)整分壓情況以改變該腳電壓值,可進行停止、待機與工作三種工作模式切換。
驅(qū)動模塊具有輸出電流反饋引腳LIO,該引腳實時反饋驅(qū)動模塊輸出的驅(qū)動電流大小,反饋對應關系為0~2.5 V對應于驅(qū)動電流0~IMAX。STM32控制核心通過AD采樣得到LIO腳電壓,解算出LD驅(qū)動輸出電流,根據(jù)該驅(qū)動電流反饋,調(diào)整驅(qū)動模塊LIM電流設定值,實現(xiàn)LD工作電流與功率的連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)。
溫度采樣利用TEC驅(qū)動模塊及調(diào)理電路進行。TEC驅(qū)動模塊除具有工作溫度設定腳外,還提供溫度反饋量引腳TEMP,該引腳輸出的電壓信號,表征當前熱敏電阻阻值下的溫度值,線性對應關系為0~5 V對應15~35 ℃。
光功率采樣則是利用激光器泵浦光敏二極管進行。為獲取激光器泵浦實際功率,激光器內(nèi)部LD光源旁置有小棱鏡,對光源進行衰減折射,折射后的光照亮光敏二極管,產(chǎn)生受激電流。通過采樣該電流得到LD發(fā)光功率反饋。
溫度與光功率采樣電路實現(xiàn)方法原理相同。信號經(jīng)調(diào)理電路后,經(jīng)運算放大器放大,進入核心控制器AD采樣模塊,對相應信號進行采集。由于溫度及光功率采樣精度直接影響激光器控制效果,選用雙路內(nèi)部補償頻率的高增益運放LM358進行信號調(diào)理,采樣電路如圖8所示。
圖8 溫度與光功率采樣電路
驅(qū)動電源中,2路TEC及LD驅(qū)動模塊均可等效為壓控恒流源,需通過設定電壓值提供控制指令。因此,核心控制器需提供3路電壓給定信號,實現(xiàn)LD及2路TEC的驅(qū)動控制。
STM32最多只有1路DA接口,因此,需要外擴DA芯片實現(xiàn)多路電壓輸出。選用TI公司TLV5614集成芯片,該DAC具有SPI數(shù)據(jù)接口,使能及輸出更新控制端,分辨率可達12位,動態(tài)響應時間小于3 μs。
通過SPI接口與核心控制器連接,實現(xiàn)4路DA輸出擴展,DA輸出電路設計如圖9所示。
圖9 DA輸出電路設計
驅(qū)動電源軟件設計有遠程工作參數(shù)設定,雙路TEC溫度采樣、LD電流采樣、光功率采樣,雙路TEC溫度控制,LD功率控制,故障診斷與保護等功能,流程如圖10所示。
圖10 驅(qū)動電源軟件流程圖
控制核心通過RS422通訊接口獲取驅(qū)動電源啟停、工作模式、最大工作電流、恒功率檔位及功率等工作參數(shù),判斷是否啟動激光器電源輸出。
激光器電源輸出啟動后,進行采樣與控制輸出計算,分別執(zhí)行恒溫控制子函數(shù)、恒流或恒功率控制子函數(shù)。控制子函數(shù)根據(jù)1.1與1.2中算法模型,采用PI控制方法,控制雙路TEC溫度及LD功率輸出保持穩(wěn)定。
由于LD泵浦光源額定工作電流為1.5 A,如果調(diào)節(jié)時驅(qū)動電流從零瞬間上升至較大值,該電流沖擊變化會對激光器泵浦造成損傷,進而減少激光器的使用壽命[12];當激光器關斷時,流經(jīng)泵浦電路從較高值瞬間降為零同樣會對激光器造成傷害。因此,在LD電流控制與LD功率控制子函數(shù)中,設計軟件延時啟動及關斷電路,控制驅(qū)動電流在到達設定值過程中緩慢上升或下降,對激光器進行保護。軟啟動過程如下:
軟件對電流變化斜率進行限定,電流從0~1.5 A最快變化時間設定為1秒,即調(diào)節(jié)過程中,電流變化速率不超過1.5 A/s,從而避免電流突變造成的激光器損壞。
故障診斷與保護子函數(shù)對激光器進行實時保護。當檢測到LD過流、晶體或泵浦超溫或遠程通訊接口設定急停時,進入該子函數(shù)。激光器驅(qū)動電源將立即停止電流輸出,并將相應故障代碼通過通訊接口上傳,實現(xiàn)激光器故障診斷與保護功能。
為驗證設計DFB激光器驅(qū)動電源驅(qū)動效果,搭建試驗平臺分別對DFB激光器驅(qū)動電源的驅(qū)動電流、溫控系統(tǒng)溫度以及激光器恒功率等性能指標進行測試。
因激光器工作需要恒溫環(huán)境且電流不宜發(fā)生突變,驅(qū)動電源電流測試采用LD模擬負載進行。電流測試主要考察電流動態(tài)響應與穩(wěn)態(tài)誤差。
4.1.1 電流動態(tài)響應
電流動態(tài)響應測試時,設計幅值為1 A階躍電流指令。測得驅(qū)動電源LD驅(qū)動電流輸出如圖11所示。
圖11 電流動態(tài)響應曲線
由圖11可以看出,當電流指令給定為1A階躍時,驅(qū)動電源LD電流在6 ms內(nèi)上升至設定值,響應迅速且準確達到設定值。當電流達到設定值后,無超調(diào)震蕩現(xiàn)象發(fā)生。由此可知,驅(qū)動電源具有良好的動態(tài)響應特性。
4.1.2 電路穩(wěn)態(tài)誤差
驅(qū)動電源給定為1 A電流指令,待驅(qū)動電流上升過程結(jié)束后,測量輸出電流穩(wěn)態(tài)誤差,電流波形如圖12所示。
圖12 電流穩(wěn)態(tài)誤差曲線
由圖12看出,使用示波器交流耦合檔對輸出電流1A時進行穩(wěn)態(tài)誤差測量,LD驅(qū)動電流的最大誤差不超過±0.035 A。測量結(jié)果表明,當驅(qū)動電源穩(wěn)定運行時,驅(qū)動電源具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。
上述試驗表明,激光器驅(qū)動電源在階躍及穩(wěn)態(tài)測試時,具有良好的動態(tài)響應及較小的穩(wěn)態(tài)誤差,電流輸出控制精度高。激光器驅(qū)動電源設計
DFB激光器在25℃時為最佳工作狀態(tài),因此將晶體與泵浦TEC控制的目標溫度均設定為25℃。測試時保持LD光源點亮,以改變激光器內(nèi)部環(huán)境溫度。通過采集熱敏電阻值反應當前實際溫度,進行雙路溫度控制測試,持續(xù)1小時,測試結(jié)果記錄于表1所示。
試驗表明,該雙路TEC溫度控制電路工作穩(wěn)定,當激光器內(nèi)部LD光源連續(xù)工作時,晶體及泵浦TEC溫度控制精度不超過±0.1℃,溫控效果良好,達到設計指標要求。
通過遠程通訊接口,設定激光器光功率為80 mW,對應激光器驅(qū)動電源提供1 A的LD驅(qū)動電流。對激光器輸出光功率穩(wěn)定性進行測試,試驗結(jié)果如表2所示。
表1 雙路TEC溫度控制試驗記錄
注:室溫20℃,時間min,溫度單位℃。
表2 激光器輸出光功率試驗記錄
測試結(jié)果表明,激光器電源驅(qū)動電流誤差不大于2%,且激光器光功率穩(wěn)定度誤差不超過0.5%,電源驅(qū)動性能良好,長時工作穩(wěn)定性強。
本文設計并實現(xiàn)了一種帶有雙路TEC溫控的功率可調(diào)DFB激光器驅(qū)動電源,實現(xiàn)了激光器雙路溫度控制及輸出功率連續(xù)調(diào)節(jié)。經(jīng)充分測試結(jié)果表明,該驅(qū)動電源體積小、溫度及電流控制精度高、光功率穩(wěn)定性好。內(nèi)部集成TEC及LD驅(qū)動模塊,擴展性強、穩(wěn)定性高。相較傳統(tǒng)驅(qū)動電源,大大減小了設計體積,進一步提高了溫度及電流控制精度,在激光器驅(qū)動領域應用前景廣闊。此外,該設計方案對其他恒流源設計也有參考借鑒意義。