一种用于半导体激光器的两级温度控制系统

摘要

本发明公开了一种用于半导体激光器的两级温度控制系统，包括第一级/第二级温度控制子系统、温度显示子系统以及电源子系统。第一级温度控制子系统作用于半导体激光二极管LD；采用模拟PID的控制方式，测温元件选用负温度系数热敏电阻NTC，执行器选用半导体制冷器TEC。第二级温度控制子系统用于控制整个温控系统的温度，保持电路的工作环境温度稳定；采用数字PID和PWM控制算法，测温元件用NTC，执行器选用TEC和散热风扇。温度显示子系统用于显示两级温控各自的设定温度和实际温度。电源子系统提供电路工作所需的电源。本发明采用两次温度控制的方式，减小了元件温度漂移对控制精度的影响，提高了控制精度并可延长系统工作寿命，提高系统的长时间稳定性。

权利要求

1.一种用于半导体激光器的两级温度控制系统，其特征在于：包括第一级温度控制子系统(1)、第二级温度控制子系统(2)、温度显示子系统(3)和供电电源子系统(4)；第一级温度控制子系统(1)直接作用于半导体激光管，利用负温度系数热敏电阻NTC采集温度信息，使用桥式电路将温度信息转化为电信号，采用模拟PID调节的方式调制信号，使用两个MOS管驱动TEC制冷/加热；第二级温度控制子系统(2)作用于控制系统本身，数字键盘设定第二级温度控制系统的参考温度，使用NTC采集温度信号并转化为模拟电信号，用ADC将模拟信号转化为数字信号，利用DSP处理数字信号，采用数字智能PID调节和脉宽调制PWM的方式处理信号，执行机构使用TEC和散热风扇；温度显示子系统(3)经温度传感器获得温度信息，由ADC转换信号，经DSP处理后实时显示在数码管上，分别显示两级温控的设定温度和实际温度；供电电源子系统(4)包括稳压芯片和电阻、电容，提供电路系统所需的多种电压和驱动TEC用的大电流；

所述的第一级温度控制子系统(1)直接作用于半导体激光管，由桥式电路模块、仪用放大器模块U1、PID调节模块、TEC驱动模块组成；所述的桥式电路模块利用两个相同的恒流源产生恒定的电流I分别流过NTC和设定电阻Rset；所述的桥式电路模块桥臂的电压差ΔV＝IRNTC-Vref，其中Vref＝I*Rset是另一只桥臂上的设定电压，使电桥的电压差与可变电阻的阻值呈线性关系；电桥产生的电压差信号在进入PID调节模块前用仪用放大器模块U1进行放大；PID调节模块采用模拟元件搭建；TEC驱动模块利用两个MOS管交替通断提供驱动电流；

TEC制冷还是加热由流过它的电流的极性决定，制冷/加热量的大小由流过它的电流大小决定；

所述的第二级温度控制子系统(2)作用于控制系统本身；通过第二级温度控制子系统可以设定电路工作在合适的温度下，可以保证系统工作环境温度的稳定性；它由DSP最小系统、ADC、DAC、NTC、TEC、散热风扇和数字键盘组成；NTC用来感受控制系统所处的温度，ADC、DAC用来进行模拟信号和数字信号之间的转换，TEC和散热风扇作为调节温度的执行器，键盘用来设定第二级温控的参考温度，DSP内写入模糊PID和PWM的程序以处理信号起到控制的作用；在散热压力比较大时，开启散热风扇，有利于温度的快速稳定；

所述的温度显示子系统(3)由DSP、ADC、DAC、温度传感器、数码显示管组成；数码显示管用来显示温度；温度传感器安装在半导体激光管的底座和温控电路板上，分别检测激光管和温控系统的实际温度；第二级温度控制子系统的设定温度由键盘输入决定，事先在DSP中存储显示温度与键盘输入对应的表格，根据不同的键盘输入显示不同设定温度；第一级温度控制子系统的参考温度由两个可变电位器设定，由于不同的环境温度下电阻阻值及参考电源的输出会有所不同，DSP中应存入多个对应不同环境温度下第一级温控参考温度与电位器阻值相对应的数据表，根据这些数据表在不同的环境温度下显示不同的第一级温控设定温度；

所述的供电电源子系统(4)能够提供温控系统工作所需要的电源；所述的供电电源子系统(4)中稳压芯片为线性稳压芯片，所述的供电电源子系统(4)还包括三极管；线性稳压芯片和电阻、电容提供系统电路工作所需要的多种电压值；由于TEC工作需要一个较大的电流，而线性稳压芯片并不能提供足够大的电流，因此在电源电路中并联三极管，需要时使三极管工作在放大状态，提供TEC工作所需要的大电流；

该用于半导体激光器的两级温度控制系统采用了分级的温度控制措施，不仅对激光管温度直接控制，还增加了对温控系统本身的温度控制，极大地消除了温度变化使电路中元件性能变化带来的影响；同时，工作环境的稳定可以延长系统的使用寿命；

该用于半导体激光器的两级温度控制系统电桥电压差与NTC电阻值之间呈现线性关系，有利于提高控制精度；

该用于半导体激光器的两级温度控制系统在温度设定方面，考虑到环境温度对器件参数的影响，进行更细微的标定，可以提高控制准确度和显示的精准性。

说明书

一种用于半导体激光器的两级温度控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体激光器温度控制的技术领域，具体涉及一种用于半导体激光器的两级温度控制系统，可用于半导体激光器的高精度温度控制。

背景技术

[0002] 半导体激光器具有效率高、功耗低、体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、使用寿命长等优点，广泛应用于军事、医疗、通讯、国防、科研、加工等领域。半导体激光器的性能主要受到它的输出功率与频率的影响，而激光器的频率和功率对温度具有很强的依赖性。因此，要对半导体激光器进行长时间高精度的温度控制。

[0003] 目前的半导体激光器温度控制系统——不管是采用模拟还是数字的方式——都采用的是一级温度控制的方式。一级温度控制系统难以保证电路板工作环境温度的稳定。一级温度控制系统多种元器件的性能在工作中受到环境温度变化的影响，会导致半导体激光器温度控制系统的控制精度降低、寿命减小。因此有必要对温控系统本身的温度进行控制，以尽可能地消除温度变化对元件性能的影响，进一步提高半导体温度控制系统的控制精度和性能稳定性。目前大多数产品的桥式电路采用的是电阻分压的方式，桥臂电压差与电阻之间的关系是非线性的，不利于提高控制系统的精度。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于设计一种用于半导体激光器的两级温度控制系统，第一级温度控制系统由可变电阻器设定参考电压，通过带恒流源的电桥电路产生偏差信号，利用PID调节处理信号，通过改变驱动TEC的电流方向和大小进行制冷或加热，直接控制半导体激光管的温度；第二级温度控制系统采用数字PID和PWM调制的方式，驱动TEC和风扇使电路板所处环境的温度稳定；可以提高温度控制的精度和系统工作的稳定性。

[0005] 本发明采用的技术方案为：一种用于半导体激光器的两级温度控制系统，其特征在于：包括第一级温度控制子系统、第二级温度控制子系统、温度显示子系统和供电电源子系统；第一级温度控制子系统直接作用于半导体激光管，利用负温度系数热敏电阻NTC采集温度信息，使用桥式电路将温度信息转化为电信号，采用模拟PID调节的方式调制信号，使用两个MOS管驱动TEC制冷/加热；第二级温度控制子系统作用于控制系统本身，数字键盘设定第二级温度控制系统的参考温度，使用NTC采集温度信号并转化为模拟电信号，用A/D转化器将模拟信号转化为数字信号，利用DSP处理数字信号，采用数字智能PID调节和脉宽调制PWM的方式处理信号，执行机构使用NTC和散热风扇；温度显示子系统经温度传感器获得温度信息，由ADC转换信号，经DSP处理后实时显示在数码管上，分别显示两级温控的设定温度和实际温度；供电电源子系统由稳压芯片和相关的电阻、电容组成，提供电路系统所需的多种电压和驱动TEC用的大电流。

[0006] 进一步的，所述的第一级温度控制子系统直接作用于半导体激光管，由桥式电路模块、仪用放大器模块U1、PID调节模块、TEC驱动模块组成；所述的桥式电路模块利用两个相同的恒流源产生恒定的电流I分别流过NTC和设定电阻Rset；所述的桥式电路模块的桥臂的电压差ΔV＝IRNTC-Vref，其中Vref＝I*Rset是另一只桥臂上的设定电压，使电桥的电压差与可变电阻的阻值呈线性关系；电桥产生的电压差信号在进入PID调节电路前用放大器电路进行放大；PID电路采用模拟元件搭建；TEC驱动电路利用两个MOS管交替通断提供驱动电流；TEC制冷还是加热由流过它的电流的极性决定，制冷/加热量的大小由流过它的电流大小决定。

[0007] 进一步的，所述的第二级温度控制子系统作用于控制系统本身；通过第二级温度控制系统可以设定电路工作在合适的温度下，可以保证系统工作环境温度的稳定性；它由DSP及其外围电路、ADC、DAC、NTC、TEC、风扇和数字键盘组成；NTC用来感受控制系统所处的温度，ADC、DAC用来进行模拟信号和数字信号之间的转换，TEC和风扇作为调节温度的执行器，键盘用来设定第二级温控的参考温度，DSP内写入模糊PID和PWM的程序以处理信号起到控制的作用；在散热压力比较大时，开启散热风扇，有利于温度的快速稳定。

[0008] 进一步的，所述的温度显示子系统由DSP、ADC、DAC、温度传感器、数码显示管组成；数码显示管用来显示温度；温度传感器安装在半导体激光管的底座和温控电路板上，分别检测激光管和温控系统的实际温度；第二级温度控制子系统的设定温度由键盘输入决定，事先在DSP中存储显示温度与键盘输入对应的表格，根据不同的键盘输入显示不同设定温度；第一级温度控制子系统的参考温度由两个可变电位器设定，由于不同的环境温度(此处指温度控制电路板所处环境温度，以下相同)下电阻阻值及参考电源的输出会有所不同，DSP中应存入多个对应不同环境温度下第一级温控参考温度与电位器阻值相对应的数据表，根据这些数据表在不同的环境温度下显示不同的第一级温控设定温度。

[0009] 进一步的，所述的供电电源子系统能够提供温控系统工作所需要的电源；主要由线性稳压芯片及其相关电阻、电容以及三极管组成；线性稳压芯片及其相关电阻、电容提供系统电路工作所需要的多种电压值；由于TEC工作需要一个较大的电流，而线性稳压芯片并不能提供足够大的电流，因此在电源电路中并联三极管，需要时使三极管工作在放大状态，提供TEC工作所需要的大电流。

[0010] 本发明的原理在于：

[0011] 所述的第一级温度控制子系统包括桥式电路、信号放大器、PID调节电路和半导体制冷器(TEC)驱动电路。可变电阻器和负温度系数热敏电阻(NTC)1分别连接到桥式电路的两条不同桥臂上，NTC1的阻值代表激光管处的温度，可变电阻器用来设定温度控制的参考电压，通过桥式电路差生控制的偏差信号；桥式电路产生的偏差信号输入到信号放大器进行信号放大处理，此电路中信号放大器使用的是AD620；放大后的信号经过PID调节电路，产生控制作用；TEC驱动电路主要由一个N沟道MOS管和一个P沟道MOS管组成，正向控制信号使N沟道MOS管输出正电流驱动TEC加热，负向控制信号使P沟道MOS管输出负电流驱动TEC制冷，电流的大小与控制信号的大小正相关，TEC的加热/制冷功率与电流大小正相关；TEC加热/制冷来调节半导体激光管的温度。

[0012] 所述的第二级温度控制子系统包括数字信号处理器(DSP)芯片、时钟电路、JTAG电路、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、NTC、TEC。DSP芯片、时钟电路、JTAG电路构成DSP的最小系统，是第二级温度控制子系统的核心部件，PID控制和PWM调制都由DSP实现；四个参数相同的负温度系数热敏电阻(NTC2—NTC5)分别安装在控制电路板的四个角上，当他们的输出相等时表示达到热平衡，此时的NTC输出可代表系统环境温度，转换为电信号后经过滤波处理和ADC转换输入到DSP中；DSP中有设定好的参考温度信息，将参考信息与输入信号比较产生差值，通过PID调节和PWM处理，经过DAC转换和滤波输入到TEC驱动电路和散热风扇控制电路中，驱动TEC和风扇工作(风扇在需要制冷时工作，弥补TEC制冷效率低的不足)；PID参数和PWM参数可通过键盘设定。

[0013] 所述的显示子系统包括温度传感器AD590，数码显示管及其控制芯片，显示面板还包括一块键盘。AD590(1)感受的是激光管的温度，AD590(2)—AD590(5)安装在NTC2—NTC5附近，感受温度控制系统的环境温度，这些信号经过滤波处理和模数转换后输入到DSP中，经过处理和数模转换后显示在数码管上，这显示的是激光管和环境的实际温度；可变电阻器的阻值通过电路转换为电信号，经滤波和模数转换后输入到DSP芯片中，经过处理和数模转换后显示在数码管上，这表示的是第一级温度控制系统的设定温度，由于不同环境温度下，电路中的电阻值和基准电源的输出会有变化，所以在可变电位器阻值相同的情况下，显示的设定温度值可能会不同，这需要事先标定并存储到DSP芯片中；第二级温度控制子系统的参考温度通过键盘输入的方式设定，并经过转化后显示在数码管上。

[0014] 所述的电源子系统包括多种稳压芯片和相关的电阻、电容、三极管以及保护电路。用来提供电路中各元件工作所需的电压和电流，并起到一定的电路保护作用。

[0015] 本发明和现有技术相比的优势在于：

[0016] (1)、本发明采用了分级的温度控制措施，不仅对激光管温度直接控制，还增加了对温控系统本身的温度控制，极大地消除了温度变化使电路中元件性能变化带来的影响；同时，工作环境的稳定可以延长系统的使用寿命。

[0017] (2)、本发明电桥电压差与NTC电阻值之间呈现线性关系，有利于提高控制精度。

[0018] (3)、本发明在温度设定方面，考虑到环境温度对器件参数的影响，进行更细微的标定，可以提高控制准确度和显示的精准性。

附图说明

[0019] 图1为本发明的整体结构框图，其中，1为第一级温度控制子系统，2为第二级温度控制子系统，3为温度显示子系统，4为供电电源子系统；

[0020] 图2为本发明的第一级温度控制系统结构框图，其中，5为电桥电路，6为信号放大电路，7为PID调节电路，8为TEC驱动电路，9为半导体制冷器TEC，10为激光管及紧贴激光管热沉的负温度系数热敏电阻NTC；

[0021] 图3为本发明的第一级温度控制系统电路图；

[0022] 图4为本发明的第二级温度控制系统结构框图，其中，11为DSP最小系统、12为模数转换器ADC、13为数模转换器DAC、14为负温度系数热敏电阻组、15为温度传感器组、16为TEC及其驱动电路、17为风扇及其驱动电路、18为LED显示屏；

[0023] 图5为本发明的第一级温度控制子系统电源模块电路图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

[0025] 如图1所示，本发明一种用于半导体激光器的两级温度控制系统，包括第一级温度控制子系统1、第二级温度控制子系统2、温度显示子系统3和供电电源子系统4。第一级温度控制子系统1通过模拟PID调节的方式驱动TEC制冷/加热来控制半导体激光管的温度；第二级温度控制子系统通过数字PID调节和PWM调制的方式驱动TEC和风扇控制温度控制系统的温度稳定；显示子系统实时显示第一级和第二级温度控制子系的设定温度和当前温度；电源子系统提供电路工作的电源。

[0026] 如图2所示，本发明的第一级温度控制子系统包括电桥电路5、信号放大电路6、PID调节电路7、TEC驱动电路8、半导体制冷器TEC 9、激光管及紧贴激光管热沉的负温度系数热敏电阻NTC 10；这是一个闭环控制电路，电桥电路产生偏差信号，放大电路增大信号，PID电路调整信号去控制TEC驱动电路驱动TEC工作，NTC测量激光管的温度反馈给电桥电路。

[0027] 如图3所示，是本发明第一级温度控制子系统1的电路图。桥式电路由电阻RB1/RB2/RB3/RB6、可变电阻器RB4/RB5、运算放大器IC1/IC2、稳压二极管D3/D4、PNP型三极管Q3/Q4以及2端接口Pin组成；电阻RB1与稳压管D3负端连接，它们的公共端接+12V电源；电阻RB1的另一端与运算放大器IC1的负输入端以及三极管Q3的发射极连接；放大器IC1的正输入端与稳压管D3的正端以及电阻RB3相接；放大器IC1的输出端接到三极管Q3的基极；Q3的集电极与2端接口Pin的1脚相接，它们共同连接到放大器AD620的3脚(正输入端)；Pin的2脚与RB3的另一端连接到地；接口Pin连接的是负温度系数热敏电阻(NTC)1；电阻RB2与稳压管D4负端连接，它们的公共端接+12V电源；电阻RB2的另一端与运算放大器IC2的负输入端以及三极管Q4的发射极连接；放大器IC2的正输入端与稳压管D4的正端以及电阻RB6相接；放大器IC2的输出端接到三极管Q4的基极；Q4的集电极与可变电阻RB5的可调端相接，它们共同连接到放大器AD620的2脚(负输入端)；RB5的固定端与RB4的可调端相接；RB4的固定端与RB6的另一端连接到地；RB4用来粗设定参考温度，RB5用来细设定参考温度；为保证三极管工作在放大模式，应使它的发射极电压大于基极电压大于集电极电压。放大电路由仪用放大器AD620和电位器R1组成；电位器R1的可调端与一个固定端连接AD620的8脚，另一个固定端连接AD620的1脚；AD620的7脚接+12V电压，4脚接-12V电压，5脚接地，6脚是输出。接入后续的PID调节电路中；R1选用的是最大阻值100K的电位器，作为AD620的增益电阻，AD620的增益公式为：

[0028]

[0029] 因此，AD620的放大倍数在1.494倍到10000(AD620最大增益)可调。PID调节电路由集成运算放大器TL084和电阻、电位器R2～R15、R18及电容C1、C2组成；电阻R4、R9、R13、R14的一段接地，另一端分别连接TL084的3/5/10/12脚；TL084的4脚接+12V电源，11脚接-12V电源；电位器R2/R5/R10的一个固定端与可调端都连接到AD620的6脚；R5的另一固定端与电阻R6相连，R6另一端与R7相连，它们的公共端连接到TL084的6脚，R7的另一端与R8相连，它们的公共端接TL084的7脚，以上构成比例调节电路；R10的另一固定端与电阻R11相连，R11另一端与C2相连，它们的公共端连接到TL084的9脚，C2的另一端与R12相连，它们的公共端接TL084的8脚，以上构成积分调节电路；R2的另一固定端与电容C1相连，C1另一端与R18相连，它们的公共端连接到TL084的2脚，R18的另一端与R3相连，它们的公共端接TL084的1脚，以上构成微分调节电路；R3、R8、R12的另一端与R15相接，它们的公共端接到TL084的13脚，R15的另一端与TL084的14脚相接，以上组成加法器；电位器R2、R5、R10的最大阻值为1MΩ，R4、R6、R11、R18的阻值为10K，R3、R7、R8、R9、R12、R13、R15的阻值为100K，R14阻值为30K，电容C1容值0.33μF，电容C2容值22μF。TEC驱动电路由电阻R16、R17，发光二极管D1、D2，MOS管Q1、Q2，两端接口Pout组成；D1的阴极接D2的阳极，与TL084的14脚相接；D1的阳极接电阻R16，它们的公共端接N沟道MOS管Q1的栅极，R16的另一端接+12V电源；D2的阴极接电阻R17，它们的公共端接P沟道MOS管Q2的栅极，R17的另一端接-12V电源；Q1的漏极接+3.3V电源，源极接Pout的1脚；Q2的漏极接-3.3V电源，源极接Pout的1脚；Pout的2脚接地，Pout1脚连接到TEC的正端，2脚街道TEC的负端；R16、R17的阻值都是3.3KΩ。

[0030] 如图4所示，是本发明第二级温度控制子系统2的结构框图。第二级温度控制子系统2由DSP最小系统11、模数转换器ADC 12、数模转换器DAC 13、负温度系数热敏电阻组14、温度传感器组15、TEC及其驱动电路16、风扇及其驱动电路17、LED显示屏18组成。负温度系数热敏电阻组14感受当前控制系统的温度并将其转换为电信号，温度传感器组15测量当前的系统温度并转换为电信号，以上两路模拟信号经过模数转换器ADC 12转换为数字信号，输入到DSP最小系统11中进行处理与调节；DSP处理后的信号经过数模转换器DAC13转换为模拟信号，分别控制TEC及其驱动电路16和风扇及其驱动电路17；相关的设定温度信号和实际温度信号在LED显示屏18上显示。本系统中采用常用于控制领域的28335DSP芯片，该芯片本身包括12位的DAC/ADC，为了提高模数/数模转换的精度，本系统中外扩了16位的DAC/ADC。

[0031] 如图5所示，是本发明第一级温度控制子系统的电源模块电路图，本电路的作用是给第一级温度控制子系统供电。该模块分为两部分，图4上半部分所示为正电源电路，提供整个系统中所需要的+3.3V模拟电压和驱动TEC所需的大电流。三极管BJT1/BJT2的发射极、电阻RP1的一端、钽电容CP1的正极接+12V电压，电阻RP1的另一端与三极管BJT1/BJT2的集电极、钽电容CP2的正极以及7805的1脚(输入端)相接，7805的3脚(输出端)与钽电容CP3/钽电容CP4的正端、电容CP5的一端及1117-3.3的3脚(输入端)相接，1117-3.3的2脚(输出端)与钽电容CP6的正端、电容CP7的一端、三极管BJT1/BJT2的基极连接到一起(该端电压为+3.3V)，7805的2脚、1117-3.3的1脚、各钽电容的负端、电容CP5/CP7的另一端接模拟地。图4下半部分所示为负电源电路，提供整个系统中所需要的-3.3V模拟电压和驱动TEC所需的大电流。三极管BJT3/BJT4的发射极、电阻RP3的一端、钽电容CP8的正极接-12V电压，电阻RP3的另一端与三极管BJT3/BJT4的集电极、钽电容CP9的负极以及7905的2脚(输入端)相接，
7905的3脚(输出端)与钽电容CP10/钽电容CP11的负端及337的2脚(输入端)相接，337的3脚(输出端)与钽电容CP12的负端、电阻RP5的一端、三极管BJT3/BJT4的基极连接到一起(该端电压为-3.3V)，RP5的另一端与7905的1脚及RP6的一端相接，7905的1脚、各钽电容的正端、RP6的另一端接模拟地。CP1、CP8为47μF，CP2、CP9为0.33μF，CP3、CP4、CP5、CP7、CP10为0.1μF，CP6为10μF，CP11、CP12为1μF，BJT1/BJT2选用的是TIP36C，BJT3/BJT4选用的是TIP35C，RP1/RP3是22Ω的电阻，RP5为240Ω，RP6为392Ω。四个三极管的作用是扩大电流，提供TEC工作的大电流；电阻RP1、RP3的作用是提供三极管基极与发射极之间的偏置电压；各个电容能起到滤波的作用；四个稳压芯片起到电压转换的作用，电阻RP5、RP6的作用是调节337的输出为-3.3V。