基于MAX1968的激光光源设计.doc

基于MAX1968的激光光源设计
摘要：针对激光光源极易受温度影响的问题，根据半导体激光器( laser diode)的光输出特性，提出了一种新的激光光源设计方案，以max1968芯片为基础，设计了一种ld温度控制电路，能够进行实时监视和调控激光器的温度，达到稳定激光器输出功率的目的。通过实际试验证明，该光源稳定可靠，有着较大的实用价值。
关键词：半导体激光器( laser diode) max1968 温度控制电路

中图分类号：tn29 文献标识码：a 文章编号：1007-9416(2012)02-0119-02
design of laser diode source based on max1968
abstract:considering the problem of laser source easily affected by temperature，and according to the light output characteristic of laser diode (ld), a new design scheme of laser source was proposed. based on max1968 chip, a kind of ldtemperature control circuit was designed, which can timely monitor and control the temperature of ld, aimed at steadying ld output power. through the actual test shows that the ld source is stable and reliable, and has great practical value.
key words：laser diode ld) max1968 temperature control circuit
由于体积小、功耗低、寿命长和易于调制，半导体激光器(laser diode)作为一种新型激光光源已广泛应用于通讯、医疗和测量等各个领域[1]。因此半导体激光电源的可靠性、稳定性也就显得格外重要。由于激光器的发射谱线、倍频晶体的相位匹配等对温度十分敏感，在对波长稳定性要求较高的场合，诸如干涉测量和光谱吸收气体检测待高精度测量应用中，必须对ld温度进行精确控制[2]。温度的变化严重影响着整个器件的性能，因此，温度控制电路对整个激光器件的品质是非常关键的。
1、半导体激光器的输出特性
图1是一种典型的半导体激光器在不同温度下的输出功率与正向驱动电流的关系曲线。从图中可以得出：当驱动电流小于阈值（具体大小随不同半导体激光器不同而变化），这时的半导体激光器不能正常工作，只有当驱动电流增大到一定电流时，半导体激光器才开始正常工作而发出激光。而且半导体激光器的阈值电流受温度的影响很大，温度越低，相应的阈值电流越小；同理，温度越高，阈值电流越大。在一确定温度下，光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加，并近似呈线性上升。
同样地，当驱动的电流为一确定值，而环境温度改变，激光器的输出光功率也将随之发生变化，温度变化范围越大，激光器输出功率的变化也越大。当温度上升时，激光器输出光功率将降低，此时为了保持激光输出光功率稳定而增大驱动电流，最终可能因驱动电流过大而烧毁激光器。因此，对半导体激光器进行温度控制以稳定激光器的光功率输出是当务之急。
2、温度控制电路
本设计中，温度控制电路是由热电致冷器（tec），温度反馈电路和热电致冷器驱动电路组成。其中，热电致冷器是利用peltier效应进行制冷或加热的半导体器件。热电致冷器的工作原理是在tec两端加上直流工作电压会使tec的一端发热，另一端致冷；当把热电致冷器两端的电压反向则会使先前发热端变成制冷，制冷端变成发热端。
max1968作为tec的驱动芯片，采用直接电流控制，消除了tec中的浪涌电流。该芯片是 maxim 公司推出的高性价比和高效率开关型驱动器，适用于peltier热电制冷器模块。max1968由单电源驱动，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。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(1.5v)。
假设正向电流为加热，则vctl1大于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大于vos1大于vcs，反之则制冷。通过少许加热或制冷可避免控制系统在调整点非常接近环境工作点时的振荡。 max1968采用薄型28引脚tssop-ep封装，工作于-40℃到+85℃的温度范围。芯片还提供了一系列的保护和监测功能：tec电压限制功能，max1968为tec提供了最大压差控制限制流过tec最大的正向和反向电流，并且是独立控制的。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；itec为输出，用以监测流过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。
图3所示为半导体激光器温度控制器的 tec驱动电路原理图。外部控制电路的输出电压加在tec电流控制输入端ctl1，其电路为图4所示。热敏电阻rt上的电压信号代表温度的变化，该信号经过处理后与基准电压比较。本设计中基准值是3v（对应的温度值为25℃），当感知的温度大于25℃时，传输给max1968的电压值将小于3v，max1968将输出+3v的电压，驱动tec制冷；当传感器感知的温度小于25℃时，传输给max1968的电压值将大于3v，max1968将输出-3v的电压，驱动tec制热。
3、测试结果
该电路经调试并经过3h老化后 ,再对半导体激光器温度进行测量。图5为半导体激光器温度控制的实验数据。激光型号ldm3s80 series。该器件封装形式为常见的dip封装，其额定工作电流可达到100ma。实际测量实验室的环境温度为22.8℃，设置激光二极管的工作温度为常温（25℃）。
系统稳定后，从图中曲线可以看出，激光二极管的工作温度基本稳定在25℃左右，温度偏差在±0.1℃内，本设计很好地控制了激光功率的稳定输出。
4、结语
通过试验，表明该方案具有设计简单、实用性强、可靠性高等特点,在一定的温度范围内,能有效地对半导体激光器的工作温度进行监测与控制。
参考文献
[1]孙晓明.半导体激光干涉理论及应用[m].北京:国防工业出版社,1998,5-8.
[2]万小平,金雷,陈瓞延,马万云.基于max1968的半导体激光温控电路设计[j]．微计算机信息,2006,(12)．
[3]林达权.数字光纤通信设备[m].西安:西安电子科技大学出版社,1998.