基于机械热平衡物理数学模型的快速半导体激光器温度控制系统设计概述

摘 要 温度是影响半导体激光器性能指标之一，为了实现快速稳定的温度控制，研究了系统的温度控制硬件和算法。系统以MSP430低功耗微控制处理器为核心，采用自动调节制冷片电压和脉冲宽度调制（PWM）输出脉冲方式相结合的驱动电路。根据系统的机械控制热平衡模型和装置的高低温实验建立了自适应温度调节算法。经过高低温实验研究。从-40℃～50℃控制到温度为23℃时，激光器温度稳定所消耗的时间分别为2分半钟和一分半钟，其中控制精度为0.2℃。对激光器功率稳定性进行实验分析，控温前后激光功率的稳定性，从5%提高到1%以内，满足人眼安全对激光功率密度的要求，该方案的设计对于小功率、快速稳定的激光系统的设计具有可借鉴意义。

关键词 快速半导体；激光器；温度控制系统；设计

半导体激光器因具有体积小、质量轻、效率高等特点广泛应用于光电测量、气体检测、医学治疗、激光测距等应用领域，并具有广阔的应用前景。温度是影响激光器性能指标的主要因素之一，温度控制的精度影响着激光波长的频宽、功率的稳定性。本文从激光器温控的稳定时间、功耗等参数出发，对在环境温度–40～50℃的激光器进行了热平衡实验，通过实验建立了机械热平衡物理数学模型、自适应调节电路以及自适应调节算法。并采用MSP430 低功耗微处理作为控制单元，实现了该算法的实验研究。

1 系统组成

1.1 系统装置

激光眩目器结构如图1所示，半导体激光器通过制冷片和铝合金型材的外壳进行刚性连接，温度传感器PT10实时采集激光器的温度。激光器产生的热量与制冷片进行热平衡交换后，制冷片部分热量通过铝合金型材外壳导出。半导体激光器的输出功率为500mW，波长为532nm，热转化效率为25%。

1.2 控制单元设计

系统的温度控制系统核心处理单元采用TI公司16位超低功耗微控制器MSP430F135，该芯片具有16kBFlash、512BRAM、12位ADC和1个USART，运算速度20MIPS，其有高性能的12位AD转换器件。微控制器通过AD模数转化器采集激光器的温度，并利用自适应调节算法，自动调节制冷片的TEC电压值和PWM脉冲，实现制冷片的制冷控制效率，达到系统的温度半衡。为了实现系统的温度控制和响应时间最小值，并保证系统在稳定后所消耗的电功率最少，系统采用微控制器1/O端口调节电压和定时器实现PWM脉冲输出相结合的方式，利用普通功能输出口RAO、RA1、RA2实现PWM输出加热或制冷以及电压调节。其中电压调节控制制冷片最大输出工作电压，PWM脉冲的宽度控制TEC的加热或制冷时间，驱动电路的电流问控制着TEC工作方式。

1.3 电压调节和控制电路

微处理器通过两路信号实现控制温度。其中一路信号调节滑动变阻器如实现对制冷片的电压调节，滑动变阻器采用MP8666实现VTEC电压的输出，输出信号通过R33和滑动变阻器AD5220的分压，将反馈电压输入到MP8666中，整个反馈回路实现电压的稳定输出。可调节滑动变阻器的电阻最大值为1MΩ，可调节步数为128步，每步的调节电压为0.2V。另外，路输出信号驱动控制整流桥的电流方向，实现VTEC 工作方式。微处理器实现对4个MOS管的电压输出和调节控制电流方向。当PWM1-为正电压时，PWMl为负电压，PWM2和PWM2-不输出。此时Q7和Q8电路导通，电流顺时针流向（TEC1+流向TECI-），制冷片处于制冷状态，当PWM2-处于正电压时，PWM2处于负电压，当所测最高温度（T_test）和所需要调节的温度（T_adjust）之差小于5℃时，则进行电压调节，否则进行全速制冷或金速加热状态。当前后所测量的温度差小于0.2℃时，电压值调节稳定，然后进行PID算法自动调节，当所测量的温度与所设定的温度（T_set）之差小于0.1℃时，系统温度调节完毕。

2 实验与讨论

将装有半导体激光器的装置放置在高低监实验箱中（Siemens：温度–70～150C）中进行实验，环境温度设定为50℃和–40℃，激光器温度设定为22℃。为了防止激光器因为温度而受损害，温度增加或降温以10℃为间隔温度点，在间隔温度点放置5分钟保证内外温度平衡。将系统分别处于50℃和–40℃环境。然后分别加热或制冷，等温度到达激光器所设定的温度时，停止加热或制冷功能，实现半导体激光器的自然散热或制冷状态实验结果如下图所示。图2是系统制冷实验，实验中所提供的激光器的电压分别为7.4、5.4V，对应的电流分别为8.6、4.4A。当电压为7.4V时，电流最大，但是制冷效率并不能达到最高，系统温度降低到最低温度值为30℃。当电压值为4V时，温度降到22°，但所消耗的时间比电压为5V时多，也就是制冷效率相比较比较差。当制冷功能取消时，三条曲线的趋势是相同的，刚开始是骤然升温，此时斜率比较高，属于温差造成的结果。当温差比较小时，温度上升比较慢，但所上升的时间远远低于制冷时到稳定值的时间，也就是散热情况和温差成正比。实验结果表明：加热时间和加热效率比较相近，当加热电源关闭时，温度开始降低比较快，随着温差减小，降低的速度就较慢。从以上结果可以分析得到：当环境温度为50℃和-40℃时，采用效率电压为5V。当温度处于设定温度小于50℃和大于40℃，为了避免过大的功耗，可以采用自适应算法选择合适的电压值，然后控制温度。根据上述驱动电路和自适应控制算法进行了实验，获得数据如下：从-40℃加热到设定温度23℃，激光器所使用时间为一分半钟，从50℃制冷到所设定温度时，使用时间为两分半钟.图3是未加温控（红色数据）和加完温控（蓝色数据）所测量的激光器功率，在温控作用下，激光器的控制温度在0.2℃以内，功率稳定性从4%提高到1%以内，实验验证所设计的驱动电路是可行的，并可在温度-40℃～50℃快速实现半导体激光器的温度控制。

3 结束语

文中根据激光眩目器的性能指标为研究目标，对激光器的响应时间和功率稳定性进行了驱动电压调节电路、H整流桥电路以及自适应控制算法的设计和测试。整个系统实验中，激光器分别从-40℃～50℃到达微光器设定的温度值的消耗时间分别为1分半钟和2两分半钟。在18℃～28℃之间到达激光器所设定的温度为30秒。温度控制精度在0.2摄氏度，功率稳定性在1%以内，提高了3%，功率密度变化符合人眼安全在使用的時候，该设备操作起来也更加的方便。该方法的设计和实现对于其他便携式产品半导体激光器的快速控制可以起到很好的效果，对于我过半导体激光器温度控制系统设计具有一定推动作用。