CN203026790U

CN203026790U - 一种量子级联激光器驱动及温度控制电路

Info

Publication number: CN203026790U
Application number: CN 201220604167
Authority: CN
Inventors: 周伟; 李祥; 阳杰
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2022-11-15

Abstract

一种量子级联激光器驱动及温度控制电路，属于电子技术领域。用于向量子级联激光器提供精确可调的PWM驱动电压并精确控制量子级联激光器的工作环境温度，包括一个单片机、一个可调稳压源、一个温度控制模块、一个PWM控制模块和一个负载保护模块。本实用新型具有设计简洁，运用方便，能较全面的监视激光器负载的工作状态，具有过流保护，防高压击穿，脉冲宽度可调性好，脉冲最窄可达ns量级且具有可调的脉冲宽度、工作频率，较稳定的工作温度，使得对环境温度较敏感的量级级联激光器产生的激光保持较恒定的光波长。

Description

一种量子级联激光器驱动及温度控制电路

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，尤其涉及一种产生精确可调窄脉冲信号的量子级联激光器(QCL)的驱动电路及温度可调的温度控制电路。

技术背景

量子级联激光器（QCL）是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。不同于传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，QCL受激辐射过程只有电子参与，激射波长的选择可通过有源区的势阱和势垒的能带裁剪实现。它是气体监测和自由空间通信的理想光源。在红外通信、远距离探测、大气污染监控、工业烟尘分析、化学过程监测、分子光谱研究、无损伤医学诊断等方面具有很广泛的应用前景。QCL的激射方案是利用垂直于纳米级厚度的半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态，在这些激发态之间产生粒子数反转，该激光器的有源区是由耦合量子阱的多级串接组成（通常大于500层）而实现单电子注入的多光子输出。

QCL的驱动方式有两种：一种是恒流驱动方式，另一种是脉宽调制（PWM）驱动方式。恒流驱动方式只需要保证流过激光器的电流恒定，就能使得激光器能很好、有效的工作，在市场上已经有大量的专门用于激光器的恒流驱动电源出现；此种驱动方式的电源利用效率太低，绝大部分的电能都消耗在激光器的内阻上，造成能量的极大浪费，而且需要设计较大功率的散热设备才能使得激光器能够长时间的稳定工作，这样使得QCL的驱动设备体积变得比较庞大。PWM驱动方式工作的QCL激光器，一般来说其工作频率在10KHz左右，高脉冲时间在几十ns到2us之间，其工作脉冲占工作周期的2％以下，在能源利用率方面比恒流工作的QCL要高得多，而且由于PWM驱动方式工作的QCL产生的热能远远小于恒流工作的QCL，在QCL工作温度控制方面，要容易得多，不需要非常大功率的散热器就能保证激光器在稳定的温度环境下工作，其有效工作时间会大大的延长。

现有的QCL的一种PWM驱动方式中，采用了传统的三端可调稳压输出电路模块（如图2所示），其输出电压通过调整可变电阻R₂的阻值大小来获得，其输出电压表达式为Vout=1.25(1+R₂/R₁)+I_Adj·R₂，即节点221的电压是节点222的电压加上1.25V，由于I_Adj的值非常小，通常可以忽略，故输出电压Vout表达式可简写为Vout=1.25(1+R₂/R₁)，通过调整R2的阻值获得想要的输出电压，传统的三端稳压芯片多数为降压调节，即要求输出电压 Vout低于输入电压Vin。由于传统的三端可调稳压输出电路模块采用的是精度较低、体积较大的可变电阻，使得输出电压Vout的精度较低、不能满足高精度的应用需求。

发明内容

针对现有量子级联激光器（QCL）驱动电路所存在的技术问题，本实用新型提供一种量子级联激光器驱动及温度控制电路，该驱动及温度控制电路具有工作电压可调、PWM脉冲宽度较小且精确可调，同时具有工作温度可控的特点，采用该驱动及温度控制电路，可使QCL激光器得到较稳定的激光波长，并能够长时间，高效率地工作。

本实用新型技术方案如下：

一种量子级联激光器驱动及温度控制电路（如图1所示），用于向量子级联激光器（QCL）提供精确可调的PWM驱动电压并精确控制量子级联激光器的工作环境温度，包括一个单片机、一个可调稳压源、一个温度控制模块、一个PWM控制模块和一个负载保护模块。

所述单片机用于设定量子级联激光器的工作环境温度，设定量子级联激光器工作频率，设定量子级联激光器工作脉冲宽度，调整可调稳压源输出电压值，同时监视激光器的工作状态，在工作电流过大时及时关断主电路；所述可调稳压源用于产生量子级联激光器所需工作电压；所述PWM控制模块用于精确控制量子级联激光器导通时间以改变流过激光器负载的平均电流；所述温度控制模块包括温度探测、加热和降温部分，用于保证激光器在恒定的温度下工作；所述负载保护模块用于保证量子级联激光器的正常工作。

本实用新型提供的量子级联激光器驱动及温度控制电路，采用单片机对量子级联激光器工作电流电压惊醒智能调节控制，适用于各种脉冲电流幅值不大于3A的窄脉冲激光器。采用本实用新型提供的量子级联激光器驱动及温度控制电路，可使量子级联激光器工作电压与脉冲宽度、工作频率都可以方便及时的调节，并能保证激光器在设定的温度下工作，在长时间工作状态下的量子级联激光器能够稳定地有效地工作。比较于现有的量子级联激光器PWM驱动电路，本实用新型提供的量子级联激光器驱动及温度控制电路具有良好的窄脉冲特性，输出电压及时可调，工作频率、脉冲宽度精确可调，随工作时间延长，量子级联激光器特性改变小等优势。

附图说明

图1是本实用新型提供的量子级联激光器驱动及温度控制电路的结构示意图。

图2是传统的三端稳压输出电路示意图。

图3所示为现有的一种可调升压稳压输出电路模块。

图4是本实用新型提供的量子级联激光器驱动及温度控制电路中可调稳压源的电路图。

图5是本实用新型提供的量子级联激光器驱动及温度控制电路中PWM控制模块及负载保护模块电路图。

图6是本实用新型提供的量子级联激光器驱动及温度控制电路中温度控制模块电路图。

具体实施方式

图3所示为现有的一种可调升压稳压输出电路模块，其输出电压表达式为Vcc=1.23(1+R₄R₃)，R3的阻值一般取10K以上，为某个固定值，通过调整R4的阻值获得想要的输出电压。此类开关型升压稳压电路具有较低的工作电压，输入电压范围较大，电源输出节点由于有较大电容滤波，输出电压较稳定，且有非常高的转换效率。但由于其采用的可调电阻R4为普通的电位器，其输出精度有限，不能获得精确的输出电压Vcc。

图4所示为本实用新型提供的量子级联激光器驱动及温度控制电路中可调稳压源的具体电路结构。该可调稳压源包括升压型开关电源芯片U1、数控电位器U2、偏置电阻R4、分压电阻R3以及相关的储能电感L1、二极管D1、稳压管D2、滤波电容C1、C2、C3、限流电阻R1、R2。输入电压信号Vin一方面通过储能电感L1接开关电源芯片U1的LX端，另一方面通过第一限流电阻R1接开关电源芯片U1的Vcc端；第二限流电阻R2与第二滤波电容C2串联后与第一滤波电容C1并联，再连接到开关电源芯片U1的Vcc端和GND端之间；稳压管D2的正极接开关电源芯片U1的GND端，其负极接开关电源芯片U1的Vcc端；第二限流电阻R2与第二滤波电容C2的连接点接开关电源芯片U1的CE端；开关电源芯片U1的LX端通过整流二极管D1连接到输出电压节点Vcc；储能电容C3正极连接到输出电压节点 Vcc，负极连接到GND端；开关电源芯片U1的FB端通过第一分压电阻R3连接到输出电压节点Vcc，同时通过第二分压电阻R4连接到数控电位器U2的RH（电阻高电势）端；数控电位器U2的RW（滑动输出）端与RL（电阻低电势）端相连后再连接到GND端；数控电位器U2的U/P（向上/向下计数使能）端，INC（计数脉冲输入）端分别与单片机I/O端口相连。输出电压节点电压值Vcc=1.23(1+R₃(R₄+R_(U2)))。

电路中的数控电位器U2与主控制器单片机共用同一供电电路，在初始化时U2数控电位器的电阻值为50KΩ，则总的偏置电阻阻值为（50KΩ+R₄），为取到合适的电压Vcc，这里R4的电阻值取30KΩ，R3电阻值取480KΩ。由于数控电位器U2的供电电路并不与升压电路的输入端相同，当U2没有供电或者刚初始化完成时，其阻值为最大值50KΩ，这时输出电压值Vcc仅为8.61V。这个电压值没有达到QCL的阈值电压，加在QCL上电流极小，并不能使得负载工作，这对激光器负载起到了很好的保护作用。当通过单片机调整U2电位器阻值为其最小值4KΩ的时候，Vcc的电压值达到最大为18.59V。如此考虑是为了适应不同型号的QCL激光器，其匹配的激光器最佳工作电压在12V—17V间。为得到较精确的电压，两个电阻（R3和R4）都是精度为0.5％的温度系数和电压系数都比较低的碳膜电阻。本电路的稳压二极管D2的作用是扩展输入电压Vin的值，当输入端Vin值波动较大时升压芯片U1供电电压VCC被钳位在5V，保证芯片能正常工作。本实用新型中只需要通过单片机的外接按键设置所需的电压使得激光器工作于恒压模式或者通过设置电流然后根据附图4中的电流采样来自动调整输出电压Vcc的值。

图5所示为包括PWM控制模块、负载QCL和负载保护模块的具体驱动电路结构示意图，包括QCL负载、带有使能端的快速开关脉冲控制器件U1、快速开关NMOS管Q1、NPN型三极管Q2、电阻R1、R2和电容C1以及肖特基二极管D1。图4中所述可调稳压源的输出电压Vcc为QCL负载提供工作电压，电容C1和肖特基二极管D1并联于QCL负载两端；快速开关NMOS管Q1的漏极接QCL负载的负极，其源极通过电阻R2与电容C2的并联电路接地，其栅极与带有使能端的快速开关脉冲控制器件U1的输出端口相连；快速开关NMOS管Q1的漏极与电阻R2与电容C2的并联电路的连接点接单片机中具有ADC功能的I/O端口；NPN型三极管Q2的集电极接带有使能端的快速开关脉冲控制器件U1的使能端的同时通过电阻R1接可调稳压源的输出电压Vcc，其发射极接地，其基极（EN）接单片机的常规I/O端口；带有使能端的快速开关脉冲控制器件U1的输入端口（IN）接单片机输出的PWM控制信号，其电源端接可调稳压源的输出电压Vcc，其接地端接地。

当连接到EN的单片机端口输出高电平的时候，带有使能端的快速开关脉冲控制器件U1使能端为低电平，U1停止工作，Q1的栅极为低电平，Q1管截止，此时流过负载QCL的电流为零。当EN为低电平时，U1使能端为高电平，此时U1接收PWM的电平信号并在输出端口输出，给Q1充电或放电。由于U1有很强的驱动能力，使得快速开关NMOS管Q1的开启与关断时间在10ns左右，故单片机输出的PWM控制信号能够较好的在QCL出重现，只需要设置单片机的PWM信号，就能比较精确地控制加载在负载QCL上的脉冲宽度，本实用新型的脉冲宽度最小调整在20ns左右。信号输出端口VF作为负载电路的反馈，是为了对电路电流监控和设置工作脉冲电流而设；当负载短路，或者设置电压过高导致电流过大时，电阻R2两端的压降VF超过单片机设置的阈值，单片机给EN端口输出一个高电平，关断器件U1的使能从而关断负载电路，当激光器负载QCL短路时输出电路产生较大的电流，这时VF电位过高亦能使单片机及时反应失能芯片U1，达到保护电路的目的。电阻R2的取值由单片机I/O承受电压能力及NMOS管Q1的导通电阻决定，采用精度较高，功率较大的电阻，其取值在100mΩ左右。电容C2的选取要求是使用高频特性较好的高频瓷介电容。肖特基二级管D1采用正向压降较小的二极管，如MBRS340TR的正向压降只有0.43V，对负载QCL的反向电压有较好的钳位作用，防止因电压振荡损坏负载激光器，同时肖特基二极管D1反向击穿电压要在负载最大电压大于20%的裕度，正向饱和电流也是一个要考虑的因素。同样地，电容C1选取要求和电容C2一样。

图6所示为温度控制模块，包括一片具有双向输出电流的TEC驱动模块及半导体制冷片TEC，TEC驱动模块的参考电压端口Ref通过分压电阻R和热敏电阻Rt接地，TEC驱动模块的电流控制端口CTr与单片机具有DAC功能的I/O端口连接，TEC驱动模块的SHD端口连接到单片机的常规I/O端口，当SHD为高电平时TEC驱动模块工作，半导体制冷片TEC给紧贴在其上面的QCL制冷或加热，SHD为低电平时TEC驱动模块不工作。

TEC驱动模块正常工作时，在Ref端口提供一个1.5V的参考电压。TEC驱动模块输出电流计算公式为I=（V_CTr-V_Ref）*8。当电流控制端口V_CTr电压大于1.5V时制冷片给紧贴在QCL负载表面为QCL负载制冷；反之，当V_CTr电压小于1.5V时给QCL负载加热。V_CTr电压值由单片机的DAC端口提供。端口SHD连接到单片机的普通I/O端口，当SHD为高电平时TEC驱动模块工作，半导体制冷片TEC给紧贴在其上面的QCL制冷或加热，SHD为低电平时TEC驱动模块不工作。直接连接在Ref上的是一个分压电阻R（阻值5KΩ），分压电阻R通过热敏电阻Rt连接到地端。热敏电阻选择为NTC型，在25℃时电阻为10KΩ，此时Vref的电压为V_ref=V_Ref*(R/(R+R_t))=0.5V。当温度0.5℃波动时，其阻值变化最小220欧姆，即最小变化电压为7.29mV。通过端口Vref接到单片机的ADC输入端口。由于单片机的ADC精度为12位，其分辨率为0.6mV，那么单片机最高的分辨率为0.05℃。由于TEC在加热或者制冷的时候有一个时间延迟量，本实用新型在温度控制模块上，在10℃到40℃间，做到±0.1℃的精度，这个精度对负载QCL来说已经完全满足其恒温工作的要求。

在本实施方式中，当外部设备（变压器等）提供电源时，出于电路的稳定性考虑有三个输入电压，分别给升压电路模块、单片机数控电位器、温度控制模块供电，它们是共地的。升压电路模块供电电压在5V左右，单片机数控电位器供电电压为3.3V，温度控制模块供电电压为5V且能提供大于5A的电流以使能获得较好的制冷效果。接通电源时，由于数控电位器的阻值为最大值，图4的输出电压Vcc为8.61V，加载在激光器负载上的电压由于低于激光器正常工作电压，且由于单片机初始化时Q1处于关断状态，流过激光器的电流为零。从单片机设定好激光器的工作电压（或工作电流），设定激光器的工作频率以及脉冲宽度，待可调稳压模块输出电压稳定之后，给连接在图5中EN端口的单片机I/O口输出一个低电平使能控制芯片U1，负载电路开始工作。激光器工作的时候，根据设定的激光器负载工作温度与环境温度的比较，由程序决定是否开启温度控制模块，实际使用中在很短的时间内就能使得激光器在稳定的温度下工作。同时单片机的ADC端口监视着负载电路中的电流，在设定工作电流大小时自动调节流过激光器的电流，并能在必要的时候迅速关断负载电路，保护激光器负载不被损坏。如图5所示，激光器负载正常工作的高电平电压是V_ZL=Vcc-V_SAT-VF。电阻R2的阻值在0.1Ω左右，V_SAT约为0.1V。

由上所述，本实用新型驱动电路的优势在于，能够随实时监控负载QCL的工作状态，能够设定QCL工作在电压PWM模式还是电流PWM模式，并能实时反馈加载在激光器负载上的电压与电流，能够使得负载在恒温的状态下工作，能够在负载短路的情况下及时关断电流保护电路板，具有较窄的脉冲宽度且可精确设定，100KHz以下的工作频率随意设定与脉冲高度在12V-17V随意调节。由于采用多重防护，避免电压过冲与反向电压对激光器负载造成伤害，避免开机时产生的浪涌电压造成QCL负载的击穿等。

Claims

1.一种量子级联激光器驱动及温度控制电路，用于向量子级联激光器提供精确可调的PWM驱动电压并精确控制量子级联激光器的工作环境温度，其特征在于，包括一个单片机、一个可调稳压源、一个温度控制模块、一个PWM控制模块和一个负载保护模块；

2.根据权利要求1所述的量子级联激光器驱动及温度控制电路，其特征在于，所述可调稳压源包括升压型开关电源芯片U1、数控电位器U2、偏置电阻R4、分压电阻R3以及相关的储能电感L1、二极管D1、稳压管D2、滤波电容C1、C2、C3、限流电阻R1、R2；输入电压信号Vin一方面通过储能电感L1接开关电源芯片U1的LX端，另一方面通过第一限流电阻R1接开关电源芯片U1的Vcc端；第二限流电阻R2与第二滤波电容C2串联后与第一滤波电容C1并联，再连接到开关电源芯片U1的Vcc端和GND端之间；稳压管D2的正极接开关电源芯片U1的GND端，其负极接开关电源芯片U1的Vcc端；第二限流电阻R2与第二滤波电容C2的连接点接开关电源芯片U1的CE端；开关电源芯片U1的LX端通过整流二极管D1连接到输出电压节点Vcc；储能电容C3正极连接到输出电压节点Vcc，负极连接到GND端；开关电源芯片U1的FB端通过第一分压电阻R3连接到输出电压节点Vcc，同时通过第二分压电阻R4连接到数控电位器U2的RH端；数控电位器U2的RW端与RL端相连后再连接到GND端；数控电位器U2的U/P端，INC端分别与单片机I/O端口相连。

3.根据权利要求1所述的量子级联激光器驱动及温度控制电路，其特征在于，包括PWM控制模块、负载QCL和负载保护模块的具体驱动电路包括QCL负载、带有使能端的快速开关脉冲控制器件U1、快速开关NMOS管Q1、NPN型三极管Q2、电阻R1、R2和电容C1以及肖特基二极管D1；可调稳压源的输出电压Vcc为QCL负载提供工作电压，电容C1和肖特基二极管D1并联于QCL负载两端；快速开关NMOS管Q1的漏极接QCL负载的负极，其源极通过电阻R2与电容C2的并联电路接地，其栅极与带有使能端的快速开关脉冲控制器件U1的输出端口相连；快速开关NMOS管Q1的漏极与电阻R2与电容C2的并联电路的连接点接单片机中具有ADC功能的I/O端口；NPN型三极管Q2的集电极接带有使能端的快速开关脉冲控制器件U1的使能端的同时通过电阻R1接可调稳压源的输出电压Vcc，其发射极接地，其基极接单片机的常规I/O端口；带有使能端的快速开关脉冲控制器件U1的输入端口接单片机输出的PWM控制信号，其电源端接可调稳压源的输出电压Vcc，其接地端接地。

4.根据权利要求1所述的量子级联激光器驱动及温度控制电路，其特征在于，温度控制模块包括一片具有双向输出电流的TEC驱动模块及半导体制冷片TEC，TEC驱动模块的参考电压端口Ref通过分压电阻R和热敏电阻Rt接地，TEC驱动模块的电流控制端口CTr与单片机具有DAC功能的I/O端口连接，TEC驱动模块的SHD端口连接到单片机的常规I/O端口，当SHD为高电平时TEC驱动模块工作，半导体制冷片TEC给紧贴在其上面的QCL制冷或加热，SHD为低电平时TEC驱动模块不工作。