一种用于半导体激光器的TEC 温度控制电路设计

［何晓垒 钱阳 赵梦琦 蒋蔚］

1 引言

当半导体激光器工作时，由于连续长时间工作产生大量的热能，如果这些热量不能经过散热处理，将会影响半导体激光器的使用性能，缩短使用寿命。如果长时间处于高温输出的环境下，会出现功率衰减和灾变性光学镜面损伤（Catastrophic Optical Mirror Damage，简称COMD）[1]。温度与LD 之间有着紧密的关系，温度会影响LD 的工作状态及参数值[2]：阈值电流、P-V-I 曲线、波长以及功率等。因此，为了保证LD 能够连续正常工作，就要对LD 的工作温度进行精确控制，为此，我们设计了一种新型的TEC温度控制电路，控制精度达到±0.2℃。

2 半导体制冷原理

半导体制冷片（Thermal Electric Cooler，简称TEC），将两种不同类型的半导体（P 型与N 型）构成P-N 结。当直流电经过P-N 结时，会发生“Peltier 效应”[3]，从而产生制冷与吸热的效果，通过改变电流的方向能够改变温度的传播方向，改变电流值的大小能够改变TEC 制热与制冷的输出量的大小[4，5]。TEC 原理如图1 所示。

图1 TEC 原理图

TEC 的选型考虑TEC 的最大产冷量Qmax、最大温差电压Vmax、以及最大温差电流Imax等参数。本设计采用的TEC 制冷片型号为TEC-12706，主要的半导体热电材料为碲化铋（Bi2Te3），电偶臂材料分别采用了P 型和N 型两种碲化铋（Bi2Te3），最大温差电流（Imax）为6.0 A，最大温差电压（Vmax）为15.4 V，最大的产冷量（Qmax）为53.0 W，最大温差(ΔTmax)为75℃，外形尺寸（Dimensions）为30 mm×30 mm×4.05 mm。

3 温控电路设计

温控电路设计如图2 所示。

图2 TEC 温控电路框

温度控制电路由精密基准源、温度采集电路、温度设定电路、误差放大电路、功率放大电路等功能单元组成。精密基准源为温度采集电路以及温度设定电路提供精密参考电压；温度采集电路与温度设定电路的输出信号输入误差放大电路产生实际温度与设定温度的偏差信号；信号通过功率放大电路后进而驱动TEC 对LD 进行温度控制。温度控制电路图如图3 所示。

图3 温度控制电路图

3.1 精密基准源

精密基准源由电阻TR1、精密基准芯片TU1 和电容TC1 构成。其中，TR1 的两端分别接电源以及TU1 的第1、2 脚和TC1 的节点，TU1 的第3 脚接地，TC1 的另一端接地，TU1 的第1、2 脚与TC1 的节点作为精密基准源的输出。精密基准芯片TU1 采用精密电压集成块，型号为TL431。

3.2 温度采集电路

温度采集电路由温度传感器Rt、电容TC2、电阻TR4 构成。其中，NTC 的一端接TU1 的输出，另一端与TR4 和TC2 的节点相连，TR4 的另一端接地，TC2 并联在TR4 的两端。温度传感器Rt 采用热敏电阻（NTC），型号为PR103J2。

温度采集电路核心为温度传感器，对其选择至少从4 个方面进行考虑：线性度、温度范围、灵敏度和外形尺寸等。半导体的导电性能会随着温度的变化而发生变化，利用这一特性可以将半导体材料制作电子器件。将用于温度变化的半导体器件（电阻）称为热敏电阻（Negative Temperature Coefficient）。热敏电阻根据温度系数的不同分为两类：正温度系数热敏电阻（PTC 热敏电阻）以及负温度系数热敏电阻（NTC 热敏电阻）。本文中采用的热敏电阻为NTC 热敏电阻，阻值随着温度的升高呈现指数减少，即：温度越高，NTC 的阻值越低。

温控电路的设计中，温度传感器采用阻值为10K的NTC 热敏电阻，型号为PR103J2，温度控制度达到±0.05℃，满足温控电路中对温度控制精度的要求[34]。表1 为NTC-10K 温度与阻值关系表。

表1 NTC-10K 温度与阻值关系表

3.3 温度设定电路

温度设定电路由电阻TR3、可调电位器TVR1 构成。其中，TR3 的一端与接TU1 的输出端，另一端与TVR1相连，TVR1 的另一端接地，TVR1 的滑动端作为温度设定电路的输出端。

3.4 放大电路

误差放大电路由运算放大器U2A、电容TC3、电阻TR5 以及可调电位器TVR2 构成。其中，温度采集电路的输出端与U2A 的第3 脚正相输入端相连，温度设定电路的输出端与U2A 的第2 脚反相端和TC3 与TR5 的节点相连，TC3 的另一端与UU2A 的第1 脚输出端和TVR 的节点相连，TR5 并联在TC3 的两端，TVR2 的另一端接地，TVR2 的滑动端作为误差放大电路的输出端。

功率放大电路由运算放大器U2B、电阻TR2、电阻TR6、电阻TR7、电阻TR8、电容TC4、电容TC5、MOS管TQ1 组成。其中，U2B 的第5 脚与误差放大电路的输出端相连，U2B 的第6 脚与TR6、TR7 以及TC4 的节点相连，U2B 的第7 脚与TR2 以及TC5 与MOS 管的节点相连。其中，TR6 并联在TC4 的两端，MOS 管的一端与TEC 相连，驱动TEC 工作。MOS 管的型号为IRF3710。

当LD 工作时，使得工作温度上升，当工作温度高于设定温度时，Vu23的关系式如公式1 所示。

式中，Vu23-U2A 的2 脚与3 脚的电压；Vref-TU1 的基准电压值；RTR4-TR4 的阻值；RRt-Rt（NTC）的阻值。

当LD 的工作温度升高时，NTC 进行温度采集，RRt降低，Vu23增大。当Vu23Vu22，且又大于零时。信号经过误差放大电路以及功率放大电路后驱动TEC 进行工作。

当设定温度为25℃时，对5W 的半导体激光器进行温度控制实验，结果如表2 所示。

表2 温度测试数据

4 结束语

本文所设计基于TEC温度控制电路具有可控性较好，精度较高等优点。实验证明温度控制精度达到设计要求±0.2℃，温度控制效果较为理想，能够满足温控要求。