CN101145671A - 一种用于对激光制冷器限流的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对激光制冷器限流的装置和方法，包括TEC电流监测电路，TEC状态识别电路，阈值选择电路，TEC驱动电路和激光器TEC，电流监测电路用于对激光器TEC电流采样和放大，并将放大后的采样信号传给状态识别电路；状态识别电路用于根据采样信号判断激光器TEC当前状态，输出不同的状态识别信号；阈值选择电路根据状态识别信号选择不同的阈值，并将获得的不同阈值输出给TEC驱动电路，由TEC驱动电路根据不同的阈值限定输出到激光器TEC的最大电流值。本发明由于采用了不同的加热和制冷限流阈值，解决了激光制冷器制冷和加热所能承受的最大电流值不对称的问题。使激光器自动温度控制电路在最佳状态下工作。

Description

一种用于对激光制冷器限流的装置和方法

技术领域：

本发明涉及激光器自动温度控制电路中的限流控制，尤其涉及一种激光器自动温度控制电路制冷和加热不对称限流的装置及方法。

背景技术：

为了防止加到激光制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)的电流超过其极限值，在激光器管芯温度自动控制(ATC)电路中，要加限流措施。在现有技术中，多数制冷器驱动器都只能设一个限流阈值，如图1所示，对于激光器TEC来说，制冷与加热电流的阈值是相同的。但集成在激光器内部，与激光器管芯紧密相连的制冷器TEC，因结构原因，所能承受的极限制冷电流或极限加热电流是不同的，例如Eudyna公司的激光器FLD5F14CN，极限制冷电流可以到1.4A，极限加热电流却只有0.9A，两者相差约1/3。使用中，如果以制冷电流极限值(例如1.4A)为阈值，在电路出现异常，TEC加热电流达到该最大值时，由于激光TEC所能承受的极限加热电流仅为0.9A，就要毁坏激光器；反过来以加热电流极限值为阈值，就容易出现制冷电流不够用的情况。因此仅设一个限流阈值，无法解决激光制冷器制冷和加热所能承受的最大电流值不对称的问题。

发明内容：

本发明的目的是，针对上述现有技术存在的缺陷提供一种用于对激光制冷器限流的装置和方法，该方法可以根据激光器TEC是处于制冷还是加热状态，分别设定加热和制冷的限流阈值，并调入相应的限流阈值来限制激光TEC的最大电流。

本发明的技术方案如下：

一种用于对激光制冷器限流的装置，包括TEC驱动电路和激光器TEC、TEC电流监测电路，TEC状态识别电路和阈值选择电路，所述电流监测电路用于对所述激光器TEC电流采样和放大，并将放大后的采样信号传给所述状态识别电路；所述状态识别电路用于根据采样信号判断所述激光器TEC当前状态，输出不同的状态识别信号；所述阈值选择电路根据状态识别信号选择不同的阈值，并将获得的不同阈值输出给TEC驱动电路，所述TEC驱动电路根据不同的阈值限定输出到所述激光器TEC的最大电流值。

所述的用于对激光制冷器限流的装置，其中，所述状态识别电路包括运算放大器D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3，所述运算放大器D1负端用于接收所述电流监测电路输出的采样信号，其正端与参考电压Vref之间连接所述电阻R3，所述电阻R1与电阻R2串联后连接在运算放大器输出端与地之间，且电阻R1与电阻R2的连接点接运算放大器正端；所述电阻R1、电阻R2、电阻R3，以及参考电压Vref数值的设置，保证当激光器TEC为制冷状态，且采样信号小于第一预定值时，状态识别电路输出的识别信号为低电平，当激光器TEC为加热状态，且采样信号大于第二预定值时，状态识别电路输出的识别信号为高电平，并且第二预定值大于第一预定值。

所述的用于对激光制冷器限流的装置，其中，所述不同阈值包括制冷阈值和加热阈值。

所述的用于对激光制冷器限流的装置，其中，所述阈值选择电路包括一数字开关芯片，以及电阻R4、R5、R6，所述数字开关的输入端连接状态识别电路的输出端，其NO端接地，NC端悬空，所述R5与R6串接在参考电压Vref与地之间，所述R4一端连接数字开关的COM端，另一端与电阻R5与R6连接，并且作为阈值选择电路的输出端；当识别信号为低电平时，数字开关的COM端与NO端相连，电阻R4接地，制冷阈值用公式(1)获得，当识别信号为高电平时，数字开关的COM端与NC端相连，加热阈值用公式(2)获得：

其中VLIM_加热为加热阈值，VLIM_制冷为制冷阈值。

所述的用于对激光制冷器限流的装置，其中，所述电流监测电路包括运算放大器D3、电阻R7和电阻R8，所述电阻R8的两端连接在所述运算放大器D3的两个RG端，所述运算放大器D3的正输入端接激光器TEC，其负输入端接TEC驱动电路，并且电阻R7串接在所述TEC驱动电路和所述激光器TEC之间，用于监测流过其上的工作电流，所述运算放大器D3将所述电阻R7的压降放大后输出给所述状态识别电路。

所述的用于对激光制冷器限流的装置，其中，所述TEC驱动电路采用OPA548；所述第一预定值为1.2V，第二预定值为1.8V。

所述的用于对激光制冷器限流的装置，其中，所述TEC驱动电路采用ADN8830，所述电流监测电路设置在ADN8830中，ADN8830的VTEC脚输出所述采样信号；所述第一预定值为1.25V，第二预定值为1.8V。

所述的用于对激光制冷器限流的装置，其中，所述数字开关采用MAX4624芯片；所述状态识别信号低电平时为0V，所述识别信号高电平时为3.3V。

一种用于对激光制冷器限流的方法，包括以下步骤：

A、通过对激光器TEC的电流采样，确定激光制冷器当前处于加热还是制冷状态；

B、根据激光制冷器所处的状态，分别设定不同的限流阈值；

C、根据不同的限流阈值限制激光制冷器的最大电流。

所述的方法，其中：所述的步骤A和B包括如下处理：

当激光制冷器处于制冷状态，且对激光器TEC采样获得的采样信号低于第一预定值时，状态识别信号为低电平，设置制冷限流阈值；

当激光制冷器处于加热状态，且对激光器TEC采样获得的采样信号高于第二预定值时，状态识别电路输出为高电平，设定加热限流阈值；

当对激光器TEC采样获得的采样信号高于第一预定值，且低于第二预定值时，限流阈值不发生变化，维持原状态。

本发明所提供用于对激光制冷器限流的装置和方法，根据激光器TEC状态确定激光器TEC是处于制冷还是加热状态，对制冷器驱动器设定不对称的限流阈值，对激光器进行制冷或加热，此方法由于采用了不同的加热和制冷限流阈值，解决了因激光器结构引起的，能加到激光器TEC上的制冷和加热电流极限值不对称所带来的限流问题。从而使激光器的自动温度控制电路在最佳状态下工作，也可以防止TEC驱动器提供给激光器TEC的电流过大，超过其极限值引起的激光器毁坏。

附图说明

图1为现有技术的TEC限流电路原理框图；

图2为本发明自动温度控制冷热不对称限流方法；

图3为本发明实施例1制冷器驱动器冷热不对称限流方法电路图；

图4为ADN8830器件的Vtec和VLIM关系图；

图5为本发明实施例2制冷器驱动器冷热不对称限流方法电路图；

图6为本发明实施例2的电流监测电路图；

图7A为输入到OPA548的ILIM电压与其Vo脚的输出电流关系示意图；

图7B为输入到OPA548的ILIM电压与其Vo脚的输出电流关系对应表。

具体实施方式

以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。

为了解决激光制冷器制冷和加热所能承受的最大电流值不对称的问题，本发明采用以下方法：A、通过对激光器TEC的电流采样，确定激光制冷器当前处于加热还是制冷状态；B、根据激光制冷器所处的状态，分别设定不同的限流阈值；C、根据不同的限流阈值限制激光制冷器的最大电流。根据该方法本发明采用如图2所示的用于对激光制冷器不对称限流装置。该装置包括激光器TEC，TEC电流监测电路1，TEC状态识别电路2，制冷电流阈值控制量3，加热阈值选择电路，以及TEC驱动电路6。其中，阈值选择电路由制冷电流阈值控制量3、加热电流阈值控制量4和阈值选择5三个部分组成。本发明装置的工作原理是：当激光器TEC通电后，电流监测电路1将流经激光器TEC上的电流进行采样和放大，根据流过TEC电流的大小和方向确定激光器TEC的工作状态，当电流大小，电流方向不同时，电流监测电路1输出的采样信号VTEC也随着变化，电流监测电路1将放大后的采样信号VTEC输出给状态识别电路2输入端；状态识别电路用于根据采样信号VTEC来判断激光器TEC当前状态，并且其输出端的电压根据输入端采样信号VTEC值的不同而变化，输出不同的状态识别信号，以此界定和表明所述激光器TEC是处于制冷还是加热状态。阈值选择电路根据得到的不同的状态识别信号，选择制冷电流阈值控制量3或加热电流阈值控制量4，并将获得的不同阈值输出给TEC驱动控制电路，所述TEC驱动电路根据不同的阈值限定输出到所述激光器TEC的最大电流值。

本发明装置中的电流监测电路1、TEC状态识别电路2，阈值选择电路可以采用多种电路形式组合实现，尤其是电流监测电路1，这部分的电流监测功能可在有些TEC驱动器芯片内部实现，通过VTEC脚输出，直接引用；还可以可以通过在TEC驱动器与激光器TEC间串连一个电阻，并对激光器TEC电流在该电阻上产生的压降进行采样放大，根据放大后的输出来判断TEC上电流大小和方向。在此采用如下两个实施例加以说明：

实施例一、参见图3，TEC驱动电路采用ADI公司推出的TEC制冷器驱动器ADN8830，该芯片除了具有制冷器驱动电路的功能外，还设置有电流监测电路，即电流监测功能在该驱动器芯片内部实现，采样信号通过ADN8830的VTEC脚输出，可直接引用。TEC状态识别电路2由运放D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3等器件组成，TEC状态识别电路2的输入端，也就是运放D1的负端与ADN8830芯片的VTEC脚相连，获得电流监测电路输出的采样信号，运放D1的正端与参考电压Vref之间连接电阻R3，电阻R1与电阻R2串联后连接在运算放大器D1输出端与地之间，且电阻R1与电阻R2的连接点接运算放大器D1正端，运算放大器D1的输出端接阈值选择电路，输出状态识别信号。所述阈值选择电路由数字开关D2及电阻R4、R5、R6组成，制冷器驱动器ADN8830的输入端VLIM脚连接阈值选择电路的输出端，激光器TEC的正端接制冷器驱动器ADN8830的一输出端(OUTB端)，其负端接制冷器驱动器ADN8830的另一输出端(OUTA端)。根据ADN8830数据手册提供的公式：

VTEC＝(VOUTA-  VOUTB)·0.25+1.5

根据该公式可以推知，当OUTA端的电压大于OUTB端的电压时，电流正向流过激光器TEC，激光器TEC处于加热状态，VTEC电平高于1.5V；当VOUTA端的电压小于VOUTB端的电压时，电流反向流过激光器TEC，激光器TEC处于制冷状态，VTEC电平低于1.5V；当VTEC等于1.5V时，不制冷不加热。

根据这个特性以及图3所示的状态识别电路，有：

$\frac{\mathrm{vo}-\mathrm{vx}}{R2}=\frac{\mathrm{vx}-0}{R1}+\frac{\mathrm{vx}-\mathrm{vref}}{R3}$

若取电阻R2＝100k，电阻R1＝51.1k，电阻R3＝33.2K，

$\frac{\mathrm{vo}-\mathrm{vx}}{100}=\frac{\mathrm{vx}}{51.1}+\frac{\mathrm{vx}-\mathrm{vref}}{33.2}$

$\frac{\mathrm{vo}}{100}=\mathrm{vx}(\frac{1}{100}+\frac{1}{51.1}\mathrm{vx}+\frac{1}{33.2})-\frac{\mathrm{vref}}{33.2}$

vo＝6vx-3vref

可选Vref＝2.5V，则，

激光器TEC处于制冷状态，且当ADN8830的VTEC脚输出的采样信号VTEC低于第一预定值1.25V时，状态识别电路输出的识别信号为低电平，即Vo＝0V；

激光器TEC处于加热状态，且当ADN8830的VTEC脚输出的采样信号VTEC高于第二预定值1.8V时，状态识别电路输出的识别信号为高电平，Vo＝3.3V；由此可见，当激光器TEC处于制冷或加热不同的状态下，状态识别电路输出不同电平的识别信号Vo给阈值选择电路。

阈值选择电路的数字开关D2的输入端连接状态识别电路的输出端，其NO端接地，NC端悬空，R5与R6串接在参考电压Vref与地之间，R4一端连接数字开关的COM端，另一端与电阻R5与R6连接，并且作为阈值选择电路的输出端；D2可选择MAX4624等数字开关芯片，阈值选择电路的工作原理是：当状态识别电路2输出的识别信号为低电平时，即Vo＝0V时，数字开关芯片MAX4624的COM端与NO端相连，电阻R4接地，制冷阈值用下述公式(1)获得，当识别信号为高电平时，即Vo＝3.3V时，数字开关芯片MAX4624的COM端与NC端相连，电阻R4的一端悬空，加热阈值用下述公式(2)获得：

由此可见，R4，R5和R6共同实现制冷电流阈值3和加热电流阈值4两部分的功能，选择适当的R4，R5和R6电阻值就可以得到预期的加热或制冷限流阈值。如R4选择36.5k，R5选择51.1k，R6选择51.1k，若激光器TEC等效一个2欧姆阻抗，则：

制冷阈值：

VLIM_制冷＝0.736V，根据图4所示ADN8830输出电压Vtec和VLIM关系图得知，Vtec(Max)在2.8V左右，Itec＝+1.4A；

加热阈值：

VLIM_加热＝1.25V，根据图4所示ADN8830输出电压Vtec和VLIM关系图得知，，Vtec(Max)在1.2V左右，Itec＝-0.6A

计算所得的Itec是TEC驱动电路根据不同的阈值限定输出给激光器TEC的最大工作电流，通过计算确定了输出给激光器TEC电流的大小和方向。

而当ADN8830的VTEC脚输出的采样信号VTEC在第一预定值1.25V和第二预定值1.8V之间，属于迟滞空间，若激光器TEC等效一个2欧姆阻抗，对应的流经激光器TEC上的电流Itec相当于+125mA和-150mA。在这个迟滞空间内，数字开关D2的工作状态不发生改变，即阈值选择电路输出维持原先状态；设置这个迟滞空间非常重要，如果没有迟滞空间，阈值选择电路会在采样信号VTEC为某一电平(如1.5V)处，在制冷阈值和加热阈值之间反复振荡，产生抖动，设置该阈值空间可以去抖，迟滞空间的大小并不重要，只要设置一迟滞空间即可有去除抖动的效果。

实施例二、参见图5。本发明的状态识别电路以及阈值选择电路与实施例一相同，与实施例1相比不同之处是，TEC制冷器驱动器使用TI公司推出的TEC制冷器驱动器OPA548，并且OPA548不含有电流监测电路功能，需在OPA548输出与激光制冷器之间外接一电流监测电路，对与之相连的激光器TEC的电流进行采样和放大，并将放大后的采样信号通过运算放大器D1的负端传给状态识别电路；外接电流监测电路如图6所示，电阻R8的两端连接在运算放大器D3的两个RG端，运算放大器D3的正输入端接激光器TEC，其负输入端接TEC驱动电路，并且电阻R7串接在所述TEC驱动电路和激光器TEC之间，用于监测流过其上的工作电流，运算放大器D3将电阻R7的压降放大后输出给所述状态识别电路。

根据图6可知：

Vtec＝-R7×G×Itec

其中：  运算放大器D3选用INA128，其

$G=1+\frac{50\mathrm{k\Ω}}{R_G}$

Itec是指流过激光器TEC的电流，RG是INA128的增益控制电阻。

若电阻R7选择0.1欧姆，D3可选为INA128，INA326等器件，D3的增益控制电阻R8选择2.61K，此时，G＝20，Vref为1.5V，根据图5可知：

激光器TEC在制冷状态下，Itec为正，D3输出的采样信号VTEC小于1.5V；激光器TEC在加热状态下，Itec为负，VTEC大于1.5V；当VTEC等于1.5V时，激光器TEC不制冷不加热；这个结果输入给TEC状态识别电路。

TEC状态识别电路2由以下几个器件组成，运放D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3，电路结构与实施例1中的TEC状态识别电路2相同，描述略；

通过选择不同的电阻值，根据下列公式：

$\frac{\mathrm{vo}-\mathrm{vx}}{R2}=\frac{\mathrm{vx}-0}{R1}+\frac{\mathrm{vx}-\mathrm{vref}}{R3}$

若取R2＝100k，R1＝51.1k，R2＝33.2K，则有：

$\frac{\mathrm{vo}-\mathrm{vx}}{100}=\frac{\mathrm{vx}}{51.1}+\frac{\mathrm{vx}-\mathrm{vref}}{33.2}$

$\frac{\mathrm{vo}}{100}=\mathrm{vx}(\frac{1}{100}+\frac{1}{51.1}\mathrm{vx}+\frac{1}{33.2})-\frac{\mathrm{vref}}{33.2}$

vo＝6vx-3vref

可选Vref＝2.5V，若激光器TEC等效一个2欧姆阻抗，则：

激光器TEC处于制冷状态，当Itec大于150mA，采样信号VTEC低于第一预定值1.2V时，状态识别电路输出的识别信号为低电平，即Vo＝0V；

激光器TEC处于加热状态，当Itec小于-150mA，当采样信号VTEC高于第二预定值1.8V时，状态识别电路输出的识别信号为高电平，Vo＝3.3V；

1.2V到 1.8V之间属于迟滞空间，同理在这个迟滞空间内，数字开关D2的工作状态不发生改变，即阈值选择电路输出维持原先状态。

当识别信号为低电平时，即Vo＝0V时，数字开关的COM端与NO端相连，电阻R4接地，制冷阈值用公式(1)获得，当识别信号为高电平时，即Vo＝3.3V时，数字开关的COM端与NC端相连，加热阈值用公式(2)获得：

当将VLIM电压接入OPA548的3脚ILIM时，根据图7a、图7b所示ILIM电压与电流对应关系，可得出当ILIM的输入电压为(V-)+4.75V，Vo输出电流为0A，当ILIM的输入电压为(V-)+3.8V，Vo输出电流为1A，依此类推。图7a中，｜_SET＝｜_LIM/15000，｜_SET＝(V-)+4.75V-(13750Ω)(｜_LIM)/15000。由此可见，选择适当的R4、R5、R6电阻值和Vrefl，根据制冷阈值公式(1)和加热阈值公式(2)就可以得到想要的加热或制冷限流阈值。R4，R5和R6共同实现了制冷电流阈值(3)和加热电流阈值(4)两部分的功能，用以设置相应的加热和制冷电流阈值。

由于本发明采用了不同的加热和制冷限流阈值，从根本上解决了因激光器结构引起的，加到激光器TEC上的制冷和加热电流极限值不对称所带来的限流问题。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于对激光制冷器限流的装置，包括TEC驱动电路和激光器TEC，其特征在于：还包括TEC电流监测电路，TEC状态识别电路和阈值选择电路，所述电流监测电路用于对所述激光器TEC电流采样和放大，并将放大后的采样信号传给所述状态识别电路；所述状态识别电路用于根据采样信号判断所述激光器TEC当前状态，输出不同的状态识别信号；所述阈值选择电路根据状态识别信号选择不同的阈值，并将获得的不同阈值输出给TEC驱动电路，所述TEC驱动电路根据不同的阈值限定输出到所述激光器TEC的最大电流值。

2.根据权利要求1所述的用于对激光制冷器限流的装置，其特征在于，所述状态识别电路包括运算放大器D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3，所述运算放大器D1负端用于接收所述电流监测电路输出的采样信号，其正端与参考电压Vref之间连接所述电阻R3，所述电阻R1与电阻R2串联后连接在运算放大器输出端与地之间，且电阻R1与电阻R2的连接点接运算放大器正端；所述电阻R1、电阻R2、电阻R3，以及参考电压Vref数值的设置，保证当激光器TEC为制冷状态，且采样信号小于第一预定值时，状态识别电路输出的识别信号为低电平，当激光器TEC为加热状态，且采样信号大于第二预定值时，状态识别电路输出的识别信号为高电平，并且第二预定值大于第一预定值。

3.根据权利要求2所述的用于对激光制冷器限流的装置，其特征在于，所述不同阈值包括制冷阈值和加热阈值。

4.根据权利要求3所述的用于对激光制冷器限流的装置，其特征在于，所述阈值选择电路包括一数字开关芯片，以及电阻R4、电阻R5、电阻R6，所述数字开关的输入端连接状态识别电路的输出端，其NO端接地，NC端悬空，所述电阻R5与电阻R6串接在参考电压Vref与地之间，所述电阻R4一端连接数字开关的COM端，另一端与电阻R5及电阻R6连接，并且作为阈值选择电路的输出端；当识别信号为低电平时，数字开关的COM端与NO端相连，电阻R4接地，制冷阈值用公式(1)获得，当识别信号为高电平时，数字开关的COM端与NC端相连，加热阈值用公式(2)获得：

其中VLIM_加热为加热阈值，VLIM_制冷为制冷阈值。

5.根据权利要求4所述的用于对激光制冷器限流的装置，其特征在于，所述电流监测电路包括运算放大器D3、电阻R7和电阻R8，所述电阻R8的两端连接在所述运算放大器D3的两个RG端，所述运算放大器D3的正输入端接激光器TEC，其负输入端接TEC驱动电路，并且电阻R7串接在所述TEC驱动电路和所述激光器TEC之间，用于监测流过其上的工作电流，所述运算放大器D3将所述电阻R7的压降放大后输出给所述状态识别电路。

6.根据权利要求5所述的用于对激光制冷器限流的装置，其特征在于，所述TEC驱动电路采用OPA548；所述第一预定值为1.2V，第二预定值为1.8V。

7.根据权利要求4所述的用于对激光制冷器限流的装置，其特征在于，所述TEC驱动电路采用ADN8830，所述电流监测电路设置在ADN8830中，ADN8830的VTEC脚输出所述采样信号；所述第一预定值为1.25V，第二预定值为1.8V。

8.根据权利要求4至7任一权利要求所述的用于对激光制冷器限流的装置，其特征在于，所述数字开关采用MAX4624芯片；所述状态识别信号低电平时为0V，所述识别信号高电平时为3.3V。

9.一种用于对激光制冷器限流的方法，包括以下步骤：

A、通过对激光器TEC的电流采样，确定激光制冷器当前处于加热还是制冷状态；

B、根据激光制冷器所处的状态，分别设定不同的限流阈值；

C、根据不同的限流阈值限制激光制冷器的最大电流。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤A和步骤B包括如下处理

当激光制冷器处于制冷状态，且对激光器TEC采样获得的采样信号低于第一预定值时，状态识别信号为低电平，设置制冷限流阈值；

当激光制冷器处于加热状态，且对激光器TEC采样获得的采样信号高于第二预定值时，状态识别电路输出为高电平，设定加热限流阈值；

当对激光器TEC采样获得的采样信号高于第一预定值，且低于第二预定值时，限流阈值不发生变化，维持原状态。

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