導(dǎo)語：激光源溫控電路設(shè)計(jì)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1激光源溫控電路設(shè)計(jì)原理

1.1TEC工作原理

半導(dǎo)體制冷器（TEC）是以帕爾貼效應(yīng)為基礎(chǔ)研制而成，其最基礎(chǔ)的元件是利用一只P型半導(dǎo)體和一只N型半導(dǎo)體連成的熱電偶。當(dāng)通電后在兩個(gè)接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差，電流從N流向P，形成制冷面；電流從P流向N，形成制熱面。若干組熱電偶對(duì)串聯(lián)就構(gòu)成了一個(gè)簡單的半導(dǎo)體制冷器。在制冷面或制熱面增加一個(gè)熱交換器就可以完成半導(dǎo)體制冷器與外界環(huán)境的能量交換。

1.2半導(dǎo)體激光器溫控電路設(shè)計(jì)

1.2.1半導(dǎo)體激光溫控電路原理

高穩(wěn)半導(dǎo)體激光器一般都有內(nèi)置半導(dǎo)體熱電制冷器（TEC）和溫度傳感器等相關(guān)的溫控元件來保證激光器管芯溫度可控。半導(dǎo)體激光器內(nèi)置溫控系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。將溫度傳感器（常用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻）與激光器管芯安置在同一熱沉上，起到實(shí)時(shí)監(jiān)測激光管芯溫度的作用。在常溫25℃時(shí)（在25℃時(shí)激光器的整體性能最為優(yōu)良），通過調(diào)節(jié)由R1和R2組成的電阻網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)定比較器的參考電壓值，在這里稱之為基準(zhǔn)電壓。以25℃為參照，若LD管芯溫度相對(duì)升高，則熱敏電阻的阻值變小，比較器的負(fù)輸入端電壓相對(duì)變小，輸出電壓也隨著變化。TEC驅(qū)動(dòng)源將驅(qū)使電流從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體形成制冷面，實(shí)現(xiàn)對(duì)LD管芯進(jìn)行制冷。若LD管芯溫度相對(duì)降低，則熱敏電阻的阻值變大，比較器的輸入電壓相對(duì)變大，輸出電壓也隨著變化，TEC驅(qū)動(dòng)源將驅(qū)使電流從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體，形成制熱面，實(shí)現(xiàn)對(duì)LD管芯制熱。

1.2.2TEC驅(qū)動(dòng)源類型

半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng)需要滿足溫度控制精度高、響應(yīng)速度快且穩(wěn)定性高的要求，同時(shí)要能實(shí)現(xiàn)制冷和制熱雙向控制，以適應(yīng)外界溫度變化和半導(dǎo)體激光器本身工作條件變化。一般情況下，TEC驅(qū)動(dòng)源按驅(qū)動(dòng)工作模式可以分為線性工作模式和脈寬調(diào)制工作模式（PWM）兩種類型。TEC驅(qū)動(dòng)源線性工作原理：通過控制三極管的開關(guān)狀態(tài)可以控制驅(qū)動(dòng)TEC的電流大小和方向，這種驅(qū)動(dòng)方式的效率一般低于50%，需要為三極管提供良好的導(dǎo)熱通道，且有控溫“死區(qū)”。但這種模式有噪聲低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。TEC驅(qū)動(dòng)源脈寬調(diào)制（PWM）工作原理：在PWM方式下，三極管工作在飽和狀態(tài)，而不是線性區(qū)域，只有當(dāng)需要向負(fù)載供電時(shí)才導(dǎo)通。電路通過4個(gè)三極管來控制電流的方向和大小，電路結(jié)構(gòu)呈H橋型。PWM方法可以有效地提高效率和降低功率部件的熱量，工作效率一般大于80%，能實(shí)現(xiàn)無“死區(qū)”溫控。但這種模式有著噪聲高和可靠性低等缺點(diǎn)。兩種驅(qū)動(dòng)源在實(shí)際使用中各有利弊，具體采用何種驅(qū)動(dòng)方式需要根據(jù)實(shí)際情況來最終確定。

2航天高穩(wěn)激光源溫控電路設(shè)計(jì)方案

2.1MAX1968功能及其特點(diǎn)

MAX1968是MAXIM公司研制生產(chǎn)的一款高度集成具有紋波噪聲抑制功能的脈寬調(diào)制TEC驅(qū)動(dòng)芯片，調(diào)制頻率為500kHz/1MHz；單電源供電，供電電壓范圍為3~5.5V；能夠?qū)崿F(xiàn)最大3A雙向TEC驅(qū)動(dòng)電流，完成對(duì)LD管芯的制冷或制熱。MAXIM公司研制生產(chǎn)的MAX1968芯片具有體積小、效率高、價(jià)格低和可實(shí)現(xiàn)雙向無死區(qū)溫控等優(yōu)點(diǎn)，但也存在封裝材料簡單（塑料器件）和工作溫度范圍較窄等缺陷。

2.2MAX1968芯片設(shè)計(jì)電路及失效分析

2.2.1MAX1968芯片設(shè)計(jì)電路分析

MAX1968芯片資料有應(yīng)用芯片電路推薦，從推薦電路應(yīng)用方案來看，電路的設(shè)計(jì)在濾波、抑制紋波噪聲、LC濾波諧振電路等都做了詳細(xì)的考慮。在COMP引腳與GND之間焊接了0.01μF的電容，確保電流控制環(huán)的穩(wěn)定工作。FREQ引腳接高電位，即內(nèi)部振蕩器的開關(guān)頻率選擇為1MHz，這樣可以減小電容和電感值。按芯片資料推薦電路搭建芯片外圍電路，將芯片使能引腳（SHDN）直接連接高電位，即當(dāng)MAX1968芯片上電后芯片就需要工作，根據(jù)CTLI引腳的電壓輸入情況判斷TEC需要制冷或制熱，并立即實(shí)施。在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，在給該溫控電路上電瞬間，時(shí)有MAX1968失效的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為電源輸出電流急劇增大。

2.2.2MAX1968芯片失效分析

用立體顯微鏡、金相顯微鏡和晶體管特性圖示儀等儀器對(duì)兩只失效的MAX1968芯片進(jìn)行了詳細(xì)分析，失效的情況完全相同，都是芯片的第5、6端之間以及第23、24端之間存在異常電應(yīng)力，導(dǎo)致這幾端之間的鋁條燒壞短路所致。使用晶體管特性曲線圖示儀對(duì)這兩塊芯片進(jìn)行引腳間特性測試，發(fā)現(xiàn)兩電路第6、8、10端（LX2）與第5、7端（PGND2）之間短路，第19、21、23端（LX1）與第22、24端（PGND1）之間短路。第9端（PVDD2）與第5、7端（PGND2）之間未見短路現(xiàn)象。將這兩塊芯片進(jìn)行開蓋，在開蓋過程中，由于內(nèi)部芯片尺寸較大，電路個(gè)別引腳經(jīng)腐蝕后脫落，但經(jīng)測試，短路現(xiàn)象依然存在，未破壞原始失效現(xiàn)象。在金相顯微鏡下，對(duì)兩塊芯片表面進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)兩塊芯片第5、6端以及第23、24端之間存在燒毀現(xiàn)象，如圖2所示。芯片為多層金屬化結(jié)構(gòu)，從燒毀形貌分析，可能是下層鋁條燒毀后，導(dǎo)致上層鋁條燒毀短路。由于兩塊芯片失效現(xiàn)象一致，因此可以排除器件偶然缺陷導(dǎo)致失效的可能，應(yīng)該是芯片失效與外部異常電應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部場效應(yīng)管擊穿。

2.3航天高穩(wěn)激光源溫控電路設(shè)計(jì)方案

2.3.1完善MAX1968芯片電路設(shè)計(jì)

通過上述分析，結(jié)合芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和TEC驅(qū)動(dòng)源脈寬調(diào)制（PWM）工作原理，我們基本能判斷是芯片內(nèi)部燒毀的通道發(fā)生在場效應(yīng)管上。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，芯片失效是一個(gè)慢性漸變的過程，可以用14引腳（OS2）、15引腳（OS1）分別與GND的阻抗R和R'來表征，隨著上電次數(shù)逐漸增多，R和R'的阻值從開始的兆歐數(shù)量級(jí)慢性漸變到歐數(shù)量級(jí)，并最終失效。失效的原因認(rèn)為是MAX1968芯片上電后，芯片就根據(jù)CTLI引腳電壓輸入情況判斷TEC需要制冷或制熱，并立即進(jìn)行工作，上述過程在上電的一瞬間就會(huì)完成。這種輸入與輸出同時(shí)實(shí)施勢必會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部有大的紋波電壓或大電流產(chǎn)生，因發(fā)熱而導(dǎo)致芯片失效。通過完善MAX1968芯片電路設(shè)計(jì)，在MAX1968的使能引腳中引入了毫秒級(jí)的延時(shí)，致使MAX1968芯片完成加電后再實(shí)施輸出工作。具體新的設(shè)計(jì)電路方案如圖3所示。通過大量的試驗(yàn)證明阻抗R和R'的阻值不衰退，這說明對(duì)MAX1968芯片外圍電路的完善是有效的。

2.3.2MAX1968新設(shè)計(jì)方案電路試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)完善電路特性搭建了對(duì)電路性能驗(yàn)證比較的試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)的基本思路是讓兩種電路（完善前和完善后）在帶同樣負(fù)載的情況下，分別對(duì)完善電路和未完善電路進(jìn)行上下電連續(xù)沖擊，上、下電頻率同為13Hz，如圖4所示。在兩組電路的驗(yàn)證中，完善之前的設(shè)計(jì)電路在經(jīng)過約32min之后電源輸出電流突然增大，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)MAX1968芯片已經(jīng)失效。完善之后的設(shè)計(jì)電路在經(jīng)過28天之后，測試MAX1968芯片的電性能依舊正常。由此可見對(duì)MAX1968外圍設(shè)計(jì)電路的完善是有效的。

2.3.3航天高穩(wěn)激光源溫控電路設(shè)計(jì)工程驗(yàn)證

航天高穩(wěn)激光源溫控電路，在某項(xiàng)航天測試（包括振動(dòng)、沖擊、熱循環(huán)和熱真空等試驗(yàn)）中各項(xiàng)指標(biāo)都正常，最終順利完成了航天相關(guān)試驗(yàn)。

3結(jié)束語

本文從使用器件要體積小、重量輕和工作效率高等航空航天實(shí)際應(yīng)用要求出發(fā)，從TEC工作原理，TEC驅(qū)動(dòng)源類型和實(shí)際選用驅(qū)動(dòng)芯片等角度系統(tǒng)性地對(duì)溫控理論進(jìn)行了梳理，重點(diǎn)對(duì)MAX1968芯片特性進(jìn)行了說明。在理論分析和大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)MAX1968芯片設(shè)計(jì)電路進(jìn)行完善，完善之后的電路順利通過某型號(hào)航天項(xiàng)目鑒定級(jí)試驗(yàn)測試，表明該溫控電路在實(shí)際應(yīng)用中能夠達(dá)到雙向無死區(qū)溫控和0.01℃溫度穩(wěn)定性的要求，具有廣泛的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

作者:張昕 覃波 付益 覃良標(biāo) 黃芳 盧程宏 單位:中國電子科技集團(tuán)公司