基于MAX1968的半导体激光温控电路PCB设计

摘要：讨论了一种半导体激光温度控制电路的PCB设计方案，能够实时监视和控制激光器温度，以稳定激光器的输出功率和波长。控制核心采用PIC16C73单片机来实现对整个系统的精确控制。热电致冷器驱动电路采用高集成、高性价比和高效率开关型驱动芯片MAX1968来实现。与传统的分立元件PCB设计方法相比，简化了80%的电路PCB设计。实验结果表明，激光器的温度控制精度达到±0.1℃。

关键词：MAX1968;单片机;热电致冷器;半导体激光器;温度控制器;

1引　言

由于体积小、功耗低、寿命长和易于调制，半导体激光器(LaserDiode)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]。LD易于调制的特点在于LD的输出波长易受温度和注入电流的影响。普通LD的电流调制系数约为0.025nm/mA，；温度调制系数约为0.3～0.4nm/℃[2]。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。本文提供的PCB设计方案能为半导体激光器的温度控制提供有效支持。

2硬件电路PCB设计

半导体激光温度控制器由MICROCHIP公司生产的PIC16C73单片机和MAXIM公司生产的TEC驱动芯片MAX1968组成，主要包括温度反馈电路、TEC驱动电路、EEPROM存储电路和键盘数码管显示控制电路。温度控制电路利用热敏电阻反馈LD管芯温度，AD转换器对该反馈信号进行AD转换并输入单片机，单片机将其与给定电压比较，在进行数字PID算法[3]处理后，单片机控制DA转换器输出模拟控制电压给MAX1968，从而调整MAX1968输出到TEC的电流方向及大小。TEC根据流过电流信号对激光器进行制冷或加热，使激光器温度稳定在所要求的值。激光器温控系统须满足控制精度高、温度稳定性好的要求，另外必须进行双向控制，以适应环境温度变化和激光器工作条件变化。

LD：激光发射管，PD：功率监视器，TEC：热电致冷器

2.1MAX1968TEC驱动电路

热电致冷器(TEC)是利用帕耳贴(Peltier)效应进行制冷或加热的半导体器件。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；把TEC两端的电压反向则会导致相反的热流向。

常用的TEC温度控制电路大多采用分立元件搭建的PID电路，但分立电路需要进行参数整定，一般都是靠调试人员根据其经验确定参数值，也并不总是能达到控制要求，而且分立电路容易引入噪声，影响控制精度。另外，由于目前半导体激光器内部通常集成了热敏电阻和TEC，价格比较昂贵，若发生TEC过压、过流情况，容易把激光器烧坏，搭建温控系统时还须考虑到激光器的保护问题。因此，传统的温控系统很难完成半导体激光器的温度控制要求，而集成了控制电路与各种保护功能的专用芯片能够较好地完成精确温度控制的任务。

MAX1968是MAXIM公司推出的高度集成、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。它采用直接电流控制，消除了TEC中的浪涌电流。片内FET在提供高效率的同时，尽可能地减少了外部元件。500kHz/1MHz开关频率和独特的纹波消除电路减小了元件的尺寸和电源噪声。MAX1968单电源工作，在芯片内部的两个同步降压稳压器输出引脚之间连接TEC，能够提供±3A双极性输出。双极性工作能够实现无“死区”温度控制，以及避免了轻载电流时的非线性问题。该方案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。

激光温度控制器的TEC驱动电路原理图。热敏电阻Rt上的电压信号代表温度的变化，该信号经过运放U5OP07隔离后送至U6进行AD转换，AD转换器采用MICROCHIP公司生产的单通道12位AD转换芯片MCP3201，接口方式为SPI串行协议。MCP3201将转换后的数字信号送入PIC16C73单片机。单片机先将采集到的温度信号进行数字滤波，再与设定的温度值比较并进行数字PID处理。之后单片机输出控制信号至DA转换器U5，DA转换器根据单片机送来的控制信号输出一个模拟控制电压至MAX1968的CTLI引脚上，从而精确地设置连接在MAX1968OS1与OS2引脚之间的TECU4上所通过的电流方向与大小。DA转换器选用MICROCHIP公司生产的单通道12位引脚DA芯片MCP4921，接口方式为SPI串行协议。MAXIP和MAXIN引脚分别用来设置允许通过TEC的加热和制冷电流的最大值，而MAXV引脚用来设置允许加在TEC两端的最大电压。ITEC引脚的输出电流与TEC中通过的电流具有线性关系，可以利用它实时监测TEC中通过的电流大小。此外MAX1968还提供了一个引脚，在器件不工作的时候将其电平拉低可以设置器件为关断模式，从而减小器件功耗。