一种半导体激光器温度控制系统

1.本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体激光器温度控制系统。


背景技术：

2.半导体激光器又称为激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。半导体激光器因具备波长范围宽、制作简单、成本低、易于大量生产、体积小、重量轻、寿命长的优点，已经成为当代通信技术的主流应用器件，尤其是在光纤通信、光信息处理、泵浦固体激光器、激光打印等方面有着极为广泛的应用。
3.半导体激光器的导体激光器的发光功率和发光波长与其核心发光器件(ld激光二极管)的运行状态密切相关。ld激光二极管在将电能转换为光能的过程中，有一部分能量以热量的形式损耗掉，这会使得ld激光二极管的温度快速上升，超出其正常工作温度范围，从而影响半导体激光器的发光功率、输出波长、使用寿命等，因此，有必要实时监测半导体激光器的工作温度，使其工作温度处于正常的工作范围内。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例公开了一种半导体激光器温度控制系统，用于实时监控半导体激光器的温度，并提供调节控制的硬件环境。
5.本实用新型实施例提供了一种半导体激光器温度控制系统，包括：
6.温度采样控制电路、基准电压源电路、ad转换电路、da输出电路、mcu控制器；
7.所述温度采样控制电路分别与所述半导体激光器、所述ad转换电路连接；
8.所述mcu控制器分别与所述ad转换电路和所述da输出电路连接；
9.所述da输出电路与所述温度采样控制电路连接；
10.所述基准电压源电路分别与所述da输出电路、所述温度采样控制电路连接。
11.可选地，所述温度采样控制电路包括adn8834芯片；所述adn8834芯片的in1n引脚连接分压电阻，并通过分压电阻连接至所述半导体激光器的热敏电阻ntc。
12.可选地，所述adn8834芯片的ldr引脚连接所述半导体激光器的tec 引脚；
13.所述adn8834芯片的sw引脚连接第一电感的一端，所述第一电感的另一端连接所述半导体激光器的tec-引脚；
14.所述adn8834芯片的sfb引脚连接所述半导体激光器的tec-引脚。
15.可选地，所述ad转换电路包括ltc1859芯片；
16.所述ltc1859芯片的convst引脚、rd#引脚、busy#引脚分别连接至所述mcu控制器的通用输入输出接口；
17.所述ltc1859芯片的sdi引脚、sck引脚、sdo引脚分别连接至所述mcu控制器的第一通信引脚、第二通信引脚、第三通信引脚。
18.可选地，所述adn8834芯片的out1引脚、vtec引脚、itec引脚分别连接至所述ad转换电路中ltc1859芯片的ch0引脚、ch1引脚、ch2引脚。
19.所述da输出电路包括da驱动芯片，所述da驱动芯片的cs#ld引脚连接至所述mcu控制器的通用输入输出接口；所述da驱动芯片的sdi引脚、sck引脚、sdo引脚分别连接所述mcu控制器的第一通信引脚、第二通信引脚、第三通信引脚。
20.可选地，所述da驱动芯片的vouta引脚连接所述温度采样控制电路中的adn8834芯片的in2p引脚。
21.可选地，其特征在于，所述基准电压源电路包括ref5025芯片，所述ref5025芯片的vout引脚与所述adn8834芯片的vref引脚连接。
22.可选地，所述ref5025芯片的vout引脚与所述da驱动芯片的ref引脚连接。
23.可选地，所述da驱动芯片为ltc2600芯片。
24.从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：
25.本实用新型实施例提供了一种半导体激光器温度控制系统，包括：温度采样控制电路、基准电压源电路、ad转换电路、da输出电路、mcu控制器；所述温度采样控制电路分别与所述半导体激光器、所述ad转换电路连接；所述mcu控制器分别与所述ad转换电路和所述da输出电路连接；所述da输出电路与所述温度采样控制电路连接；所述基准电压源电路分别与所述da输出电路、所述温度采样控制电路连接。
26.本实施例中，温度采样控制电路首先对半导体激光器的热敏电阻ntc的电压进行采样，并将采样得到的电压输出给ad转换电路，ad转换电路用于将该电压转换成数字信号量，并通过spi通信协议传输给mcu控制器，mcu控制器用于接收转换成数字信号量的电压信号，实现了对半导体激光器的温度监测。另外，mcu控制器还可以用于输出控制电压数字信号至da输出电路；da输出电路用于将控制电压数字信号转换成控制电压模拟信号，并将控制电压模拟信号传输至温度采样控制电路，使温度采样控制电路输出对应的pwm电压信号，驱动半导体体激光器的制冷器tec进行制冷或制热，调节半导体激光的温度。本实施例提供的系统在实际应用中，提供了实时监控半导体激光器的温度、以及调节控制的硬件环境，有助于调节和控制半导体激光器的温度。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
28.图1为本实用新型实施例中提供的一种半导体激光器温度控制系统的结构示意图；
29.图2为本实用新型实施例提供的温度采样控制电路结构示意图；
30.图3为本实用新型实施例提供的基准电压源电路结构示意图；
31.图4为本实用新型实施例提供的ad转换电路结构示意图；
32.图5为本实用新型实施例提供的da输出电路结构示意图。
具体实施方式
33.本实用新型实施例公开了一种半导体激光器温度控制系统，用于监测和调节半导
体激光器的温度。
34.请参阅图1-5，图1为本实用新型实施例提供的一种半导体激光器温度控制系统结构示意图；图2为本实用新型实施例提供的温度采样控制电路结构示意图；图3为本实用新型实施例提供的基准电压源电路结构示意图；图4为本实用新型实施例提供的ad转换电路结构示意图；图5为本实用新型实施例提供的da输出电路结构示意图。
35.本实施例提供了一种半导体激光器温度控制系统，包括：温度采样控制电路101、基准电压源电路102、ad转换电路103、da输出电路104、mcu控制器105；
36.所述温度采样控制电路101分别与所述半导体激光器、所述ad转换电路103连接；
37.所述mcu控制器105分别与所述ad转换电路103和所述da输出电路104连接；
38.所述da输出电路104与所述温度采样控制电路101连接；
39.所述基准电压源电路102分别与所述da输出电路104、所述温度采样控制电路101连接。
40.在本实施例中，温度采样控制电路101可用于对半导体激光器热敏电阻ntc的电压进行采样，还可用于驱动半导体体激光器的制冷器tec进行制冷或制热。
41.具体地，温度采样控制电路101用于对半导体激光器的热敏电阻ntc的电压进行采样，并将采样得到的电压输出给ad转换电路103，ad转换电路103用于将该电压转换成数字信号量，并通过spi通信协议传输给mcu控制器105，mcu控制器105用于接收转换成数字信号量的电压信号，实现了对半导体激光器的温度监测。另外，mcu控制器105还可以用于输出控制电压数字信号至da输出电路104；da输出电路104用于将控制电压数字信号转换成控制电压模拟信号，并将控制电压模拟信号传输至温度采样控制电路101，温度采样控制电路101用于接收控制电压模拟信号，输出对应的pwm电压信号驱动半导体体激光器的制冷器tec进行制冷或制热，因此，本实施例提供的系统在实际应用中，实现了对半导体激光器的温度监测，同时提供了调节和控制的硬件环境，有助于调节和控制半导体激光器的温度。
42.可以理解的是，在系统实际运行过程中，本领域技术人员可以根据半导体激光器的温控需要，人为地控制mcu控制器105的电压输出，从而控制温度采样控制电路101的输出的pwm电压信号，以驱动半导体激光器内部的tec来控制半导体激光器的温度，也可以设计相应的自动控制方法，在接收到半导体激光器的热敏电阻ntc的电压之后，使mcu控制器105自动输出相应的控制电压信号，调节半导体激光器的温度。这种控制方法的改进可以根据需要自行设置，其具体的控制参数设置不是本实用新型请求保护的范围。
43.在另一个优选实施例中，mcu控制器105可用于在接收到热敏电阻ntc的电压之后，判断ntc的电压是否满足预设的电压阈值，若否，则计算ntc的电压与预设的电压阈值的差量，并根据差量计算出对应的控制电压值，并输出对应控制电压值的控制电压信号，实现对半导体激光器的温度控制。其中，根据差量计算出对应的控制电压值是温度自动化控制领域的公知常识，例如可以利用现有的pid算法进行计算实现。
44.在一个具体的实施例中，温度采样控制电路101包括adn8834芯片adn8834芯片的内部集成了采样运算放大器、mos管控制器等。同时，温度采样控制电路101还包括用于搭建adn8834芯片电路的电子器件，如电阻、电容等。温度采样控制电路101用于对半导体激光器内部的ntc电阻的温度电压进行采样，还可用于输出pwm电压信号驱动半导体激光器的制冷器tec进行制冷或制热，以调节半导体激光器的温度。
45.参阅图2，adn8834芯片中1-25引脚连接关系如下所示：
46.第1引脚in2n与第2引脚out2连接；第3vlim/sd引脚分别连接第二电阻r2和第六电阻r6，第二电阻r2和第六电阻r6串联，第二电阻r2的一端分别与第一电阻r1的一端、基准电压源电路102的ref5025芯片的基准电压输出端vref连接，第一电阻r1与第五电阻r5串联，第五电阻r5的另一端分别连接地agnd和第一电容c1。第4引脚ilim分别连接第一电阻r1和第五电阻r5；第5引脚vdd分别连接第十电阻r10和第一电容c1；第十电阻r10连接5v电源；第6引脚vref连接ref5025芯片的基准电压输出端vref；第7引脚agnd连接地agnd；第8引脚en/sy连接5v电源；第9引脚vtec连接ad转换电路103中ltc1859芯片的ch1引脚；第10引脚sfb连接半导体激光器的tec-引脚；第11引脚itec连接ad转换电路103中ltc1859芯片的ch2引脚；第12引脚pgnds接地gnd；第13引脚pgnds接地，并且连接第五电容c5，第五电容c5连接5v电源；第14引脚sw连接第一电感，第一电感分别连接第六电容c6和半导体激光器的tec-引脚；第六电容c6接地；第15引脚pvins连接5v电源；第16引脚pvinl连接5v电源；第17引脚ldr分别连接半导体激光器的tec 引脚、第二电容c2；第二电容c2接地；第18引脚pgndl接地gnd；第19引脚pgndl连接第18引脚pgndl，并且连接第三电容c3，第三电容c3连接5v电源；第20引脚tmpgd置空；第21引脚out1分别连接ad转换电路103中ltc1859芯片的ch0，以及第九电阻r9，第九电阻r9分别连接第七电阻r7和第八电阻r8。第22引脚in1n分别连接第七电阻r7和第八电阻r8，第七电阻r7和第八电阻r8串联；第八电阻r8的一端连接半导体激光器的热敏电阻ntc；第七电阻r7的一端分别与第三电阻r3和ref5025芯片的基准电压输出端vref连接，第三电阻r3与第四电阻r4串联，第四电阻r4的一端接地；第23引脚in1p分别连接第三电阻r3和第四电阻r4；第24引脚in2p连接至da输出电路104中ltc2600芯片的vouta引脚；第25引脚ep接地。
47.其中，adn8834芯片的in1n引脚通过分压电阻连接激光器中的ntc电阻，用于采集半导体激光器的ntc电阻的电压，该电压则可用于反馈当前半导体激光器的温度值。
48.adn8834芯片的out1引脚、vtec引脚、itec引脚用于将采集到的ntc电阻的电压信号传输至ad转换电路103。
49.adn8834芯片的in2p引脚，用于接收经过da输出电路104转换之后的控制电压信号。
50.adn8834芯片根据in2p引脚的控制电压信号，通过ldr引脚、sw引脚与sfb引脚输出对应的pwm电压信号至半导体激光器的tec 引脚、tec-引脚，驱动半导体激光器的tec进行制冷或制热，以调节半导体激光器的温度。
51.在一个具体的实施例中，基准电压源电路102包括ref5025芯片，ref5025芯片的vout引脚分别与adn8834芯片的vref引脚、da输出电路104的ref引脚连接。ref5025芯片的vout引脚为2.5v基准电压输出端vref，输出2.5v基准电压。
52.如图3所示，ref5025芯片中的1-8引脚的连接关系如下：
53.第1引脚dnc置空；第2引脚vin分别连接5v电源和第二十七电容c27，第二十七电容c27接地；第3引脚temp置空；第4引脚gnd接地；第5引脚trim/nr置空；第6引脚vout为2.5v基准电压输出端vref，与第二十八电容c28连接，第二十八电容c28接地；第7引脚nc置空；第8引脚dnc置空。
54.在一个具体的实施例中，ad转换电路103包括ltc1859芯片，其中，ltc1859芯片为
16位高精度ad转换芯片，用于将ntc电压的模拟信号转换成数字信号，并将转换之后的电压数字信号传输至mcu控制器105。
55.参阅图4，ltc1859芯片的1-28引脚的连接关系如下所示：
56.第1引脚com接地；第2引脚ch0连接adn8834芯片的out1引脚；第3引脚ch1连接adn8834芯片的vtec引脚；第4引脚ch2连接adn8834芯片的itec引脚；第5引脚ch3置空；第6引脚ch4置空；第7引脚ch5置空；第8引脚ch6置空；第9引脚ch7置空；第10引脚mouxout 连接第12引脚adc ；第11引脚mouxout-连接第13引脚adc-；第14引脚agnd1连接地agnd1；第15引脚vref连接第二十电容c20；第二十电容c20接地；第16引脚refcomp了连接第二十一电容c21，第二十一电容c21与第二十二电容c22并联，第二十二电容c22和第二十一电容c21的一端接地；第17引脚agnd2连接第18引脚agnd3；第18引脚agnd3分别连接第十四电容c14一端、第十五电容c15一端、第十二电容c12一端、第十三电容c13一端、第十电容c10一端、第十一电容c11一端；第19引脚avdd连接第十五电容c15的另一端；第十五电容c15的另一端连接第20引脚dvdd和5v电源；第20引脚dvdd分别连接第十二电容c12的另一端、第十三电容c13的另一端；第21引脚ovdd分别连接第十电容c10的另一端、第十一电容c11的另一端；第22引脚busy#连接mcu控制器105的通用输入输出接口；第23引脚sdo连接至mcu控制器105的第三通信引脚miso；第24引脚dgnd接地；第25引脚sdi连接至mcu控制器105的第一通信引脚mosi；第26引脚sck连接至mcu控制器105的第二通信引脚sck；第27引脚rd#连接至mcu控制器105的通用输入输出接口；第28引脚convst连接至mcu控制器105的通用输入输出接口。
57.图4中，ldt为连接第2引脚ch0的接线的命名；tecv为第3引脚ch1的接线的命名，第3引脚ch1通过连接线tecv连接至adn8834芯片的vtec引脚；teci为连接第4引脚ch2的接线的命名，第4引脚ch2通过连接线teci与adn8834芯片的itec引脚的连接。
58.其中，mcu控制器105的通用输入输出接口gpio作为控制ltc1859芯片的命令输出接口。gpio接口包括多个引脚端，在实际连接时，可任意选择gpio接口中的多个引脚分别与convst引脚、rd#引脚、busy#引脚连接。
59.mcu控制器105通过gpio接口输出相应的控制命令至ltc1859芯片的convst引脚、rd#引脚、busy#引脚，从而控制ltc1859芯片。
60.mcu控制器105的spi通信引脚包括第一通信引脚mosi、第二通信引脚sck、第三通信引脚miso。ltc1859芯片通过ch0引脚、ch1引脚、ch2引脚分别获取温度采样控制电路101传输的热敏电阻ntc的电压信号，并将获取到的ntc的电压信号转换成数字信号量，并通过sdi引脚、sck引脚、sdo引脚将数字信号量对应地传输至mcu控制器105中。
61.在另一个具体的实施例中，温度采样控制电路101还可用于采集半导体激光器的tec的电压和电流数据，并将电压电流数据通过ad转换电路103传输至mcu控制器105，从而对半导体激光器的tec制热功率和制冷功率进行监测。可以理解的是，ad转换电路103传输tec的电压和电流数据的原理与传输ntc的电压信号的原理相同，可参考上述说明，此处不再赘述。
62.在一个具体的实施例中，da输出电路104包括da驱动芯片，da驱动芯片的cs#ld引脚连接至mcu控制器105的通用输入输出接口；da驱动芯片的sdi引脚、sck引脚、sdo引脚分别连接至mcu控制器105的第一通信引脚、第二通信引脚、第三通信引脚，用于接收mcu控制器105传输的控制电压信号，并将控制电压信号以模拟信号的方式从芯片的vouta引脚输出
到adn8834芯片的in2p引脚中，adn8834芯片根据in2p引脚上的电压，通过ldr、sw、sfb引脚输出pwm波形的电压信号来控制半导体激光器内部的制冷器tec进行制冷或制热，从而调节半导体激光器的温度。
63.参阅图5，da驱动芯片的1-16引脚的连接关系如下：
64.第1引脚gnd接地；第2引脚vouta连接adn8834芯片的in2p引脚；第3引脚voutb置空；第4引脚voutc置空；第5引脚voutd置空；第6引脚ref连接ref5025芯片的基准电压输出端vref；并且连接第八电容c8的一端；第八电容c8的另一端接地；第7引脚cs#/ld连接至mcu控制器105的通用输入输出接口；第8引脚sck连接至mcu控制器105的第二通信引脚sck；第9引脚sdi连接至mcu控制器105的第一通信引脚mosi；第10引脚sdo连接至mcu控制器105的第三通信引脚miso；第11引脚clr#连接第十一电阻r11的一端，第十一电阻r11的另一端连接vcc；第12引脚voute置空；第13引脚voutf置空；第14引脚voutg置空；第15引脚vouth置空；第16引脚vcc连接电源vcc；第七电容c7的两端分别连接电源vcc和地gnd。
65.图5中，csi为连接第7引脚cs#/ld的连接线的命名，dac为连接第2引脚vouta的连接线命名。
66.在一个具体的实施例中，第一电阻r1可以取200kω，第二电阻r2可以取5.1kω，第三电阻r3可以取20kω，第四电阻r4可以取20kω；第五电阻r5可以取47kω，第六电阻r6可以取10kω，第七电阻r7可以取17.8kω，第八电阻r8可以取7.68kω，第九电阻r9可以取80.6kω，第十电阻r10可以取10ω，第十一电阻r11可以取10kω。
67.在一个具体的实施例中，第一电容c1可以取0.1uf，第二电容c2可以取0.1uf，第三电容c3可以取10uf，第四电容c4可以取0.1uf，第五电容c5可以取10uf，第六电容c6可以取10uf，第八电容c8可以取0.1uf，第十四电容c14可以取0.1uf，第十五电容c15可以取10uf，第十二电容c12可以取0.1uf，第十三电容c13可以取0.1uf，第十电容c10可以取0.1uf，第十一电容c11可以取10uf，第二十电容c20可以取1uf，第二十一电容c21可以取0.1uf，第二十二电容c22可以取10uf，第二十七电容c27可以取1uf，第二十八电容c28可以取1uf。
68.在一个具体的实施例中，第一电感l1可以取1uh。
69.在另一个优选的实施例中，mcu控制器105可以采用型号为stm32h743vit6的控制器等。
70.若采用stm32h743vit6的控制器，则有：
71.gpio接口的引脚对应有pa0引脚、pa1引脚、pa2引脚、pa3引脚，ltc1859芯片的convst引脚、rd#引脚、busy#引脚和da驱动芯片的cs#/ld引脚则可以分别连接至pa0引脚、pa1引脚、pa2引脚、pa3引脚。可以理解的是，可以任意选取连接，无次序限定。
72.第一通信引脚、第二通信引脚、第三通信引脚则分别对应于pa5引脚、pa7引脚、pa6引脚。
73.本实施例通过采用温度采样控制电路101分别与半导体激光器、ad转换电路103连接；mcu控制器105分别与ad转换电路103和da输出电路104连接；da输出电路104与温度采样控制电路101连接；基准电压源电路102分别与da输出电路104、温度采样控制电路101连接的连接方式，提供了更为简单的电路连接，更有利于电路的集成化设计。
74.本技术进一步提供了基于上述系统的半导体激光器温度控制工作流程，以便说明上述系统提供的硬件环境，有助于调节和控制半导体激光器的温度，其具体如下：
75.首先，由温度采样控制电路101中的in1n引脚通过分压电压对半导体激光器中的热敏电阻ntc进行电压采样，该电压经过温度采样控制电路101的分压电阻后输入至adn8834芯片中，再由adn8834芯片的out1引脚输出给ad转换电路103，ad转换电路103将该电压值转换成数字信号量并通过spi通信协议传输给mcu控制器105，该电压的数值即代表当前所测的温度值，mcu控制器105根据接收到的温度值与预设的温度阈值进行比较，当接收到的温度值不等于预设的温度阈值时，计算两者的差量，并根据差量计算出对应的控制电压输出量，并通过spi通信协议传输，与控制电压输出量对应的控制电压信号至da输出电路104，da输出立即将该输出量转换成模拟电压输出值至温度采样控制电路101芯片adn8834的in2p引脚，adn8834芯片根据in2p引脚上的电压，通过ldr引脚、sw引脚、sfb引脚输出对应的pwm波形的电压信号来控制tec进行制冷或制热，从而调节半导体激光器的温度。本系统的应用有助于将半导体激光器的温度控制在预设的温度阈值范围内。
76.以上对本实用新型所提供的一种半导体激光器温度控制系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。