热电致冷的激光器温度控制电路设计讲解
激光器对温度和湿度的要求【详解】
激光器对冷却水的要求激光器冷却水温度必须设置在最严苛运行环境的露点温度以上。
避免自带空调的激光器内、外环境结露自带空调的激光器仍有可能造成内环境结露使用自带空调且暴露在工作环境中的激光器时，空调的制冷和除湿作用会大大降低激光器内环境的露点温度。
一般设置工业空调的制冷温度和冷却水温度一致。
当环境温度低于38℃，工业空调能够维持激光器内环境的安全，但激光器外壳表面可能有结露现象。
如果结露不形成流动水珠就安全，如果有大量流动水珠，且在激光器四周地下有明显水渍，必须为带空调的激光器再建立一个安全不结露工作环境。
当环境温度高于38℃，工业空调的制冷量不足以维持激光器内环境的安全，仍会出现内环境结露，时间一长，外环境也会跟随结露。
因此激光器四周不能有明显热源，水冷机的热出风口不能正对激光器。
为消除激光器内环境结露风险，建议为激光器配置独立空调间。
避免加工头内环境结露换季或当天气温变化较大时出现加工不正常可以检查是否发生加工内环境结露。
如何精确把控激光器的温度：在光纤电信系统中，激光二极管用作发送信号的发射激光器，以及掺铒光纤放大器(EDFA)和半导体光放大器(SOA)的泵激光器。
在这些应用中，激光器的特性(包括波长、平均光功率、效率和消光比)必须保持稳定以确保电信系统的整体性能良好。
然而，这些特性取决于激光器的温度：只要温度发生漂移，波长就会改变，转换效率将会降低。
要求的温度稳定性介于±0.001°C至±0.5°C，具体数值视应用而定。
为了控制温度，需要一个由热敏电阻、热电冷却器(TEC)和TEC控制器组成的环路。
热敏电阻的阻值与温度成比例变化(反比或正比，取决于热敏电阻类型)，当配置为分压器时，可利用它来将温度转换为电压。
TEC控制器将该反馈电压与代表目标温度的基准电压进行比较，然后控制流经TEC的电流，从而调整TEC传输的热量。
图1. 激光模块的温度控制系统上述系统的一般框图如图1所示。
高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计
高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计罗亮;胡佳成;王婵媛;刘泽国【摘要】In order to solve the problem that the output power and wavelength of semiconductor laser light source was easily influenced by drive current and working temperature in Brillouin optical fiber sensing system, high-precision constant current drive and temperature control circuit were designed.Deep negative feedback integrated circuit was used to control the laser drive current precisely.Integrated temperature control chip MAX1978 was adopted to control the working current of semiconductor coolers and achieve the accurate controlment of laser working temperature.The results show that the design achieves the adjustment of drive current from 0mA~100mA.The maximum relative error of current control is 0.06%, current stability is 0.02% and the maximum error of temperature control is 0.03℃.Under the condition of temperature control, the stability of optical power is 0.5%, and the largest drift is0.005dBm.The design can achieve the effective control of current and temperature and ensure the stability of output light.%为了解决布里渊光纤传感系统中半导体激光器光源输出功率和波长易受驱动电流和温度影响的问题,设计了一种高精度恒流驱动和温控电路.该电路利用深度负反馈积分电路对激光器驱动电流进行精密的恒流控制,同时采用集成温度控制芯片MAX1978控制半导体制冷片的工作电流,实现对激光器工作温度的精确控制.结果表明,本设计实现了驱动电流0mA~100mA可调,电流控制最大相对误差为0.06%,电流稳定度为0.02%,温度控制最大误差为0.03℃,在温控的条件下,光功率稳定性达到0.5%,最大漂移量为0.005dBm.该设计实现了对电流和温度的有效控制,保证了输出光的稳定性.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2017(041)002【总页数】5页(P200-204)【关键词】激光技术;半导体激光器;恒流驱动;温控电路;布里渊传感【作者】罗亮;胡佳成;王婵媛;刘泽国【作者单位】中国计量大学计量测试工程学院,杭州 310018;中国计量大学计量测试工程学院,杭州 310018;中国计量大学计量测试工程学院,杭州 310018;中国计量大学计量测试工程学院,杭州 310018【正文语种】中文【中图分类】TN86;TP273布里渊分布式光纤传感因能同时远距离传感温度和应变，被广泛应用在天然气和石油管道、远距离电力传输线路检测、矿井安全和边境安全监控等领域[1-3]，具有广阔的发展空间。
热电制冷的原理及应用实例
热电制冷的原理及应用实例1. 热电制冷的原理热电制冷（thermoelectric cooling）是一种通过热电效应实现制冷的技术。
热电效应是指当两种不同材料的接触面存在温度差时，由于电子的迁移，会产生一个电势差。
热电制冷就是利用这种热电效应将热量从一个物体传递到另一个物体，从而实现冷却的过程。
热电制冷的原理可以通过以下几个步骤来解释：1.首先，热电制冷器由两种不同的材料（通常是P型和N型的半导体材料）组成。
这两种材料之间形成了一个所谓的热电偶。
2.当电流通过热电偶时，由于这两种材料之间的温度差异，电子会从高温一侧向低温一侧移动。
这导致了高温一侧电子的过量，产生了一个电势差，即热电效应。
3.然后，根据热电效应的原理，电势差会导致热量从高温一侧传递到低温一侧。
这个过程是通过电子的迁移和传导导热完成的。
4.最后，通过将低温一侧与外部环境接触，热能可以被散发出去，实现了制冷效果。
2. 热电制冷的应用实例热电制冷技术在很多领域都有广泛的应用。
下面介绍一些热电制冷的应用实例：2.1 电子设备冷却现代电子设备通常在工作时会产生大量的热量，为了保持设备的正常运行，需要对其进行冷却。
热电制冷技术可以在电子设备中使用，通过在集成电路上放置热电偶，将热量从电子设备传递到散热片，从而实现冷却效果。
这种方法具有体积小、无噪音、可靠性高等优点。
2.2 空调和制冷设备热电制冷技术可以用于小型的空调和制冷设备。
相比于传统的压缩机制冷技术，热电制冷技术更加简单、节能、无霜冻和无需维护。
因此，它被广泛应用于一些小型房间空调、车载冰箱、微型制冷箱等场景。
2.3 光学设备冷却在一些对温度要求非常高的光学设备中，如红外线探测器和激光器等，需要将设备冷却到极低的温度，以提高设备的性能和寿命。
热电制冷技术能够提供高精度的温度控制，并且可以应用于高温差环境下，因此被广泛用于光学设备的冷却领域。
2.4 汽车座椅冷却现代汽车座椅通常具有加热和通风的功能，为乘坐者提供舒适的体验。
温度控制模块电路的工作原理
温度控制模块电路的工作原理
温度控制模块电路是用于测量和控制温度的电子设备，其工作原理可以根据具体的应用和设计而有所不同。
以下是几种温度控制模块电路的工作原理：
温度传感器与比较器：
使用温度传感器（如热敏电阻、热电偶、温度传感器芯片等）测量环境温度。
将传感器测得的温度信号输入比较器电路。
比较器将温度信号与预设的温度阈值进行比较。
根据比较结果，比较器输出控制信号，通过开关、继电器或控制逻辑电路等方式控制温度调节设备的开启或关闭。
PID控制器：
使用温度传感器测量环境温度。
将温度信号输入PID控制器。
PID控制器根据设定的目标温度和实际温度之间的差异计算出一个控制信号。
控制信号经过放大或减小后，通过执行器（如继电器或电子开关）控制加热器或冷却器的工作状态，以调节温度接近目标值。
PID控制器的计算过程包括比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分，根据实际需要进行参数调节。
程序控制：
使用温度传感器测量环境温度。
温度信号输入微控制器或单片机。
微控制器或单片机根据预设的温度设定值和实际温度值之间的差异，通过控制输出引脚或PWM信号来控制相关设备（例如加热器或冷却器）的工作状态。
微控制器或单片机的程序可以根据需要进行自定义的控制算法和逻辑。
一种高精度半导体激光器恒温控制系统设计_李昌禄
第 33 卷 第 10 期 2014 年 10 月
实验室研究与探索
ＲESEAＲCH AND EXPLOＲATION IN LABOＲATOＲY
Vol． 33 No． 10 Oct． 2014
0引言
随着半导体技术的发展，半导体激光器（ LD） 应用 于测量、通信、环境监测以及激光武器等高新电子科技 领域［1］。但是 激 光 器 的 温 度 特 性 影 响 了 它 使 用 的 稳 定性，温度的变化将引起所产生激光中心波长的漂移 以及电流驱动阈值的变化［2-3］，激光器的输出功率和斜 率随温度上升分别呈抛物线和指数关系递减，同时特 征温 度 也 减 少，波 长 随 温 度 的 漂 移 系 数 为 0． 24
该系统通过热敏电阻收集温度信号，并依靠单片机搭建信号处理电路，使其对半导体制冷芯片 LTC1923
进行实时控制。最后，通过 H 桥电路驱动 TEC 实现其工作，从而调节激光二极管的温度。同时，为了能
够进行远程控制激光器的工作温度，采用了单片机通过 Wi-Fi 与上位机连接，可以在上位机设定工作温
度，实现了远程控制。最后能保证了激光器的工作温度的误差在 ± 0． 01 ℃ 以内。
第 10 期
李昌禄，等： 一种高精度半导体激光器恒温控制系统设计
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高而急剧下降。
图 1 输出光功率与温度的关系图
（ 2） 温度对激光器阈值的影响。由于存在自由载 流子吸收等损耗机制，因此注入的电子-空穴不能完全 转化为发射到外部的光子，能量也将转化为热量，随着 温度的上升，激光器 的 阈 值 电 流 Ith 也 会 增 加。根 据 Ith（ T） = 171． 55 + 143． 87exp（ T /93． 20） ［5］可得图 2，阈 值电流随温度的升高而指数上升。
本例介绍的电热水器温度控制器
本例介绍的电热水器温度控制器，具有水位指示、恒温及防干烧、漏电自动断电保护等功能，使用安全可靠。
电路工作原理该电热水器温度控制器电路由电源电路、漏电保护电路、温度控制电路、水位指示与防干烧电路组成，如图3-81所示。
电源电路由电源变压器T、整流桥堆UR、滤波电容器Cl、C2和三端稳压集成电路ICl组成。
漏电保护电路由电流互感器TA、双时基集成电路IC2(lC2a、IC2b)内部的一个时基屯路和有关外围元件组成。
温度控制电路由双时基集成电路lC2内部的另一个时基电路、热敏电阻器RT、晶体管V、继电器K、电位器RP和有关外围元器件组成。
EH为电加热器;VL1为工作状态指示发光二极管，VL6为电加热器工作指示发光二极管。
接通电源开关Sl后，交流220V电压经过T降压、UR整流、Cl滤波及ICl稳压后，在C2两端产生+l2V电压(Vcc)，作为漏电保护、温度控制、水位指示及防干烧电路的工作电源。
在水箱内温度低于40℃(设定水温的下限温度)时，lC2的8脚电压低于Vcc/3，3脚输出高电平，使晶体管V导通，继电器K吸合，其常开触头接通，电加热器EH通电工作，VL6发光。
当水温加热至45℃(设定水温的上限温度)时，IC2的9脚变为低电平，使V截止，K 释放，EH停止加热，V历熄灭。
当水温下降直至低于40℃时，EH又开始工作，VL6发光，如此循环，水箱内温度恒定在40-45℃之间。
在电加热器EH正常工作时，流过电流互感器TA的Wl、W2绕组的工作电流较稳定，W3绕组上的感应电压为0，IC2的6脚电压大于Vcc/3，2脚电压低于2Vcc/3，5脚输出高电平，发光二极管VLl点亮，表明EH正常工作，无漏电现象。
当EH出现漏电时，会导致流过TA的Wl、W2绕组中的工作电流突然增大，在W3绕组上将产生感应电压，使IC2的2脚变为高电平，5脚变为低电平，VLl熄灭，指示EH存在漏电。
同时二极管VD2导通，使lC2的10脚变为低电平，9脚输出低电平，使V截止，K释放，将EH的工作电源切断，实现了漏电保护。
半导体激光器温度控制系统的设计
激 光 与 红 外 No. 4 2006 焦明星 邢俊红 刘 芸等 半导体激光器温度控制系统的设计
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0～2A 的电流来驱动 TEC 工作 ,从而控制 LD 的温 度。
4 系统软件设计 本系统的被控对象是中小功率 LD ,针对 LD 温
度数学模型的不确定性 (LD 温度随 LD 注入电流大 小改变而改变 ) ,我们采用模糊控制理论与数字 P ID 参数自适应调整相结合的控制算法 。温度控制系统
3. 2 温度信号的采集与控制 通过对温控系统的原始信号进行转换 、处理 ,以
产生与温度偏差相对应的控制量 ,从而驱动半导体 制冷元件工作 。
系统采用 12位双积分 A /D 转换器 ICL7109,对 1～4V的温度模拟电压信号进行 A /D 转换 , ICL7109 的分辨率为 1 /4096 或 244ppm ,内部有锁存器和寄 存器 ,可以和各种微处理器直接连接 ,转换速度最高 达每秒 30 次 。在单片机 AT89S52 控制下 ,温度模 拟电 压 信 号 经 CD4051 多 路 模 拟 开 关 , 输 入 到 ICL7109的模拟量输入端实现 A /D 转换 。转换数据 的显示采用专用数码管显示驱动芯片 MAX7219,该 芯片硬件电路简单 ,不占用数据存储空间 ,只需将欲 显示的数字量逐位送至相应的数字存储器即可自动 扫描 ,自动显示 。设定温度的标准电信号由精密电 位器对基准电压源分压得到 ,经多路模拟开关和 A / D 转换器采集后由单片机读取并保存 。
(4)
其中 , P、I和 D 依次为比例 、积分和微分系数 , 可见
P、I、D 参数对系统总输出控制量有很大影响 。由于
本温控系统的控温范围较大 ( 10～40℃) , 控温稳定
度要求较高 ( 0. 2℃) , 所以控温点比较多 , 较多的控
基于TEC的大功率制冷电路设计(全文)
基于TEC的大功率制冷电路设计bstrct: Combined with the work fetures of TEC, TEC device constnt current drive circuit is designed with high-power trnsistor TIP122 s core, finlly, work chrcteristics of TEC devices re tested nd nlyzed.Key words: thermoelectric cooler; constnt current drive; opertionl mplifierXX：1006-4311（20XX）36-0194-010引言为保证光电测量及光通信系统的稳定性及测量精度，通常需要对光源设备进行制冷。
在热电制冷器的工作过程中，由于其驱动电流相对较大（通常大于300m），为满足半导体激光器工作温度的要求，我们采纳若干个集成运算放大器及电子元器件设计了TEC制冷电路。
本文结合TEC的工作特性，以TIP122型大功率三极管为核心设计了TEC器件的恒流驱动电路，最后对TEC 器件的工作特性进行了测试与分析。
1TEC制冷电路设计1.1 温度探测电路本文采纳陶瓷粉工艺制作的NTC型热敏电阻作为传感器。
将热敏电阻串联入恒流源，对热敏电阻两端电压采样，将温度变换为电信号。
设计中采纳运算放大器OP07、齐纳二极管BZV55-C2V4和PNP型三极管2N2907组成的恒流源电路使热敏电阻工作，其中R5为热敏电阻，室温下阻值为10kΩ。
稳压二极管BZV55-C2V4工作时两端的电压稳定在2.4V，因此OP07正相输入端的电压为9.6V，根据运算放大器两个输入端虚短路的特征，R3端的电压也是9.6V，因此流过R3的电流为（12V-9.6V）/220KΩ≈10μ，由于三极管的集电极电流近似等于发射极电流，因此恒流源电路产生的恒定电流为10μ。
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热电致冷的激光器温度控制电路设计
引言在光通信领域中，用于高速、长距离通信的电吸收调制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)对温度稳定性的要求很高，并朝着小型化和高密度化方向发展。
EML激光器是第一种大量生产的铟镓砷磷(InGaAsP)光电集成器件。
它是在同一半导体芯片上集成激光器光源和电吸收外调制器，具有驱动电压低、功耗低、调制带宽高、体积小，结构紧凑等优点，比传统DFB激光器更适合于高速率、长距离的传输。
EML激光器的输出波长、电流
引言
在光通信领域中，用于高速、长距离通信的电吸收调制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)对温度稳定性的要求很高，并朝着小型化和高密度化方向发展。
EML激光器是第一种大量生产的铟镓砷磷(InGaAsP)光电集成器件。
它是在同一半导体芯片上集成激光器光源和电吸收外调制器，具有驱动电压低、功耗低、调制带宽高、体积小，结构紧凑等优点，比传统DFB激光器更适合于高速率、长距离的传输。
EML激光器的输出波长、电流阈值、最大输出功率和最小功率的波动都直接受工作温度的影响。
同时，光源的啁啾声受限于光通道的最大允许色散，虽然光纤放大器可延长信号传输距离，但色散值随传输距离的线性累积与光纤放大器无关，因此只能对光源的啁啾提出很苛刻的要求。
使用直接调制激光器远远满足不了系统对光源性能的要求，就目前技术而言，最简单的方法是使用带温度控制的电吸收激光源。
本设计方案采用体积小且易于控制的热电制冷器(ThermoElectric Cooler，TEC)作为制冷和加热器件，并采用高精度的负温度系数热敏电阻(NTC)作为温度传感器，以MCU为控制核心，对EML激光器进行精密温度控制。
EML 的内部结构框图如图1所示。
虚线框内，上面的二极管负责监控激光器和控制开关，下面的二极管控制背光电流。
1 基于TPS63000的TEC控制电路设计
1．1 TEC的原理分析
TEC制冷器又称半导体制冷器。
电荷载体在导体中运动形成电流，当直流通过两种不同的导体材料，接触端上将产生吸热或放热现象，称为帕尔贴效应。
TEC热电制冷器正是利用了帕尔贴效应实现制冷或制热，具有无噪声、无磨损、无污染、制冷(热)速度快、可靠性高、体积小、控制调节方便等特点。
目前，大多数EML激光器内部都集成有TEC和热敏电阻，但其控制电路需采用专用芯片或自行设计，否则激光器不能正常工作。
常用的TEC控制电路包括2个PWM降压变换器、4个开关(S1～S4)、2个二极管(D1和D2)、2个滤波电感(L1和L2)、2个电容(C1和C2)。
TEC与电容C1并联分别接PWMl和PWM2降压变换器，PWMl和PWM2产生的输出直流电压为V1、V2。
提供给TEC的电流ITBC=(V1-V2)／RTRC，RTEC为TEC两电极间的阻抗。
这种控制电路典型应用于Maxim公司的MAX8521、MAXl968以及Linear公司的LTC1923芯片中，主要存在以下的缺点：
①EMI较大。
控制电路中的两个滤波电感会对周围产生电磁干扰，且滤波电感的回路阻抗易发生突变而导致产生尖锐的脉冲。
②外围电路器件数量庞大。
温度的反馈信号以及其参数设置均采用模拟电路，从而使应用的成本和复杂性增加，TEC工作参数的设置不灵活。
③TEC的温控精度不高。
由于采用的是模拟的控制方式，外接误差积分的运算放大器以及数／模转换器的量化误差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。
④模式切换较复杂。
控制电路在双PWM降压变换器驱动模式下采取模拟的控制方式，没有运行模式选择功能。
1．2 硬件电路结构设计
本文设计了一种基于TPS63000的TEC控制电路，采用数字式PID控制，具有温控精度高、外围电路简单、执行部件的转换效率高等优点。
TI公司的TPS63000是一款升降压电源管理芯片，DC／DC转换器可在1．8～5．5 V的宽电压范围内实现高达96％的效率。
该芯片在降压和升压模式之间可自动转换，同时支持电流流入模式。
在降压模式下电压为3．3 V输出时，输出电流最大可达1200 mA；在升压模式下电压为3．3 V或5 V输出时，输出电流最大可达800 mA。
根据CyOptics公司的10 Gb／s Cooled EML的使用手册可知，激光器的可操作温度范围在-40～90℃，TEC热电制冷器的电流ITEC为-1．5～1．5 A，VTEC为-3．3～3．3 V，热敏电阻的电流ITHC不得超过100μA，中心波长的范围为1530～1565 nm，且温度每变化1℃波长偏移不得
超过0．13 nm。
结合激光器的具体指标，要做到对TEC温度的精确控制，可分为以下3步：
①热敏电阻实时监控温度；
②TEC上电流方向实现制冷和加热；
③PID控制准确、快速、稳定地控制TEC电流。
TEC控制系统是一个典型的闭环反馈控制系统，其结构如图2所示。
EML内部集成的高灵敏度NTlC热敏电阻，温度特性波动小、对各种温度变化响应快，材料一般为薄膜铂电阻。
电阻的阻值与温度的关系是非线性的，可用公式表示为：
R=RTO×EXP{B(1／T-1／TO)}
其中，T0为温度的初始值，B为热敏指数。
热敏电阻作为传感器探测激光器内部温度，并将温度转换为自身阻值的变化，然后由温度控制电路将电阻的变化转换为电压的变化，其转换精度决定了测温的精度。
转换后电压值的大小决定TEC LOOP电路的电流的流向(流入还是流出)，以此来实现TEC控制电路的制冷或制热。
图3为设计的TEC LOOP电路。
在TPS6300X系列芯片中，为了更好地控制输出电压VOUT，通常用FB 引脚电压值的变化来感知输出电压V(OUT值的变化，这就意味着FB引脚要和VOUT
可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC。
其中，K1、K2为常量，VDAC为MCU 的控制电压。
通过对输出电压VOUT值的控制，当电流由ITEC(+)流向ITEC(-)时，激光器将制冷，反之制热。
在这个可调节的电压输出系统中，要调节VOUT值，还要用一个外部的分压电阻连接在FB、VOUT和GND之间。
为了能正常地调节VOUT值，V-FB值最
大不超过500 mA，IFB不超过0．01μA，RB的阻值小于500 kΩ。
分压电阻RA 阻值由VFB、YOUT和RB确定。
1．3 TEC LOOP控制算法
PID(Proportional Integral Derivative)控制是一种线性的调节，即比例、积分、微分控制。
PID控制有模拟PID和数字PID控制两种，通常依据控制器输出与执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID。
本文中TEC LOOP控制采用了适合于温度控制的位置式PID控制算法。
该算法原理简单，只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量，结构简单易于实现。
图4是TEC LOOP的控制模型。
该控制模型的控制表达式为：
其中，Kp为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Kd为微分调节系数，e(k)为每次采样值与目标值的差值，u(k)为每次计算后用于调整温度的DAC 值。
模型中的反馈部分是将24位DAC的采样值转换成温度，当前温度与目标温度的差值通过PID算法计算出当前需要调整的DAC值，从而来实现温度的精确控制。
2 实验结果及分析
基于以上设计的TEC控制电路，分别对4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三种温度下进行3．3(1±10％)V的一些性能指标测试，测试的激光器是在循环箱中进行，表1为其中波长和光发射功率的具体测量数据。
从表中可以看出，当TEC控制在42℃，4只EML激光器分别工作在-10℃、25℃、75℃时，中心波长的偏移均不超过0．2 nm，光功率的变化在±1 dB之内。
根据CyOptics公司的lO Gb／s Cooled EML的使用手册可知，光功率、中心波长完全满足TDM(时分复用)的要求，波长的变化范围也可以满足
WDM(波分复用)应用需求。
结语
本文所设计的基于TPS63000的温度控制电路，已成功应用在CyOptics 公司的EML激光器中。
实际使用证明：该电路可以有效地对TEC的温度进行控制，能够使EML激光器长期、稳定地工作在设定温度下。
此模块工作温度宽、集成度高、成本低，经过进一步优化设计还可以适用于大多数集成光通信系统。
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