設計一個高性能的TEC控制器

TEC的兩個主要參數(shù)是其最大電流和最大電壓。它們的定義是：熱縮短TEC的熱側和冷側，使TEC輸出最大的熱流的電流就是最大電流。最大電流下TEC兩端的電壓為最大電壓。

當TEC的電流小于最大值時，電流越大，輸出到熱負載的熱功率就越大。因此，可以通過流過TEC的電流的大小和方向來控制目標設備的溫度。

TEC的尺寸為2mm×2mm×1.5mm至50mm×50mm×4mm。在電信組件中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)TEC的尺寸從5mm×5mm×2mm到10mm×10mm×3mm。熱輸出功率范圍為0.5W至16W。在電信系統(tǒng)中，最大TEC電壓范圍為1伏至5伏。

假設系統(tǒng)中的每個組件都是理想的，則目標上的溫度可以保持在0.00001°C之內。在光發(fā)射器應用中，所需的溫度穩(wěn)定性范圍為±0.02°C至±0.1°C，具體取決于激光器和波長間隔要求。在EDFA應用中，所需的溫度穩(wěn)定性通常為±0.2°C至±0.5°C。對于無源光學組件，穩(wěn)定性要求范圍更廣：±0.001°C至±5°C。

控制TEC

圖1顯示了控制TEC所需的基本功能塊。第一個元素是溫度傳感器，用于測量安裝在TEC冷側的目標的溫度。電信組件中最常用的溫度傳感器是溫度敏感電阻器，即所謂的熱敏電阻。熱敏電阻的電阻隨著溫度的升高而減小。熱敏電阻的電阻被轉換成代表所測目標溫度的電壓。外部電壓，代表設定點溫度通過運算放大器將目標溫度（即期望的目標溫度）與目標溫度電壓進行比較，從而產生誤差電壓。該誤差電壓由高增益放大器放大，以補償由目標和TEC冷側板的熱質量引起的相位滯后，然后驅動H橋輸出。H橋控制TEC電流的大小和方向。當目標溫度低于設定點溫度時，H橋沿一定方向和大小驅動TEC，從而使目標溫度升高。當目標溫度高于設定點溫度時，H橋將通過降低甚至反轉TEC電流來降低目標溫度。控制回路穩(wěn)定后，TEC電流的大小和方向就正確了，

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熱敏電阻具有靈敏度高，體積小，成本低的優(yōu)點。對于高絕對精度應用，熱敏電阻具有長期漂移高（±0.1°C /年）和絕對誤差高（±1％）的缺點。其他類型的溫度傳感器，例如RTD，一種基于鉑電阻的器件，可用于要求較低漂移和較小誤差的應用。

TEC控制器可以根據(jù)輸出級的工作模式進行分類：線性模式和開關模式。線性模式TEC控制器的設計和制造更為簡單，但具有非常低的功率效率（從20％到40％不等）的缺點。TEC控制器的開關模式H橋具有高功率效率的優(yōu)勢，但需要兩個高功率電感器和低ESR電容器來形成輸出濾波器。由Analog Devices，Inc.制造的ADN8830在H橋中使用一個線性模式和一個開關模式輸出級。這種結構將高功率笨重濾波組件的數(shù)量減少了一半，同時將功率效率提高到90％以上。此外，ADN8830包含圖1所示的所有控制功能塊，從而提供了一種IC TEC控制器解決方案。

高效的TEC控制器為系統(tǒng)帶來了多項優(yōu)勢：

• 產生更少的熱量–減少了將熱量排放到外部的需要。
• 消耗更少的功率–降低了電源的功率需求并降低了成本。
• 在較低的溫度下運行–提高了控制器的可靠性。
• 無需散熱器–減小了封裝尺寸并降低了成本。

設計高性能TEC控制器

最佳的TEC控制器應針對這些主要規(guī)格具有最佳組合：高溫穩(wěn)定性，高功率效率，低TEC紋波電流，易于接口和監(jiān)控，所需PCB面積小，故障檢測和指示以及低成本。為了實現(xiàn)這樣的設計，必須很好地理解和做出所有這些主要參數(shù)之間的權衡。

開關頻率

為了實現(xiàn)高效率，必須選擇開關模式輸出級。開關頻率需要正確設置。將開關頻率設置為高允許在輸出濾波器中使用較小的電感器和電容器，從而降低成本和所需的PCB空間。圖2顯示了隨著開關頻率的增加，系統(tǒng)成本如何降低。圖3顯示了PCB面積如何隨著開關頻率的增加而減小。但是，較高的開關頻率將產生較高的EMI（電磁干擾）噪聲和較低的功率效率。

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效率

如上所述，高效率為系統(tǒng)帶來了許多優(yōu)勢。但是，對于開關模式TEC控制器，可以以一定的成本實現(xiàn)高效率。

幾個因素決定了效率。這些是限制效率的功率損耗因素：

• 驅動器功率損耗。這是在開關模式輸出級驅動兩個開關的柵極所需的功率。它與開關頻率成正比，即，當開關頻率加倍時，驅動器功率損耗將加倍。可以通過降低開關頻率和/或選擇低輸入電容的開關來降低它。
• 電感器和開關MOSFET中的輸出電容性負載損耗，即在開關模式級的輸出端驅動輸出電容器引起的損耗。該損耗也與頻率成正比，可以通過使用低輸入電容電感器和低輸出電容開關MOSFET來降低。
• 鐵損。它由電感器磁芯中的磁滯損耗和渦流損耗組成。對于使用鐵氧體磁芯的高頻功率電感器，這兩個損耗在低于500kHz的頻率下都很低，但是隨著開關頻率接近1MHz時，損耗會迅速增加。選擇使用高頻鐵氧體磁芯的電感器可以減少這種損耗。
• 切換臺Ron損失。開關傳導電流時，由其電阻引起的損耗。使用低Ron MOSFET將降低此損耗。
• 輸出電感器DCR損耗。當輸出濾波電感器傳導交流和直流電流時，其直流電阻引起的損耗。使用低DCR的電感器會減少此損耗，但電感器的尺寸會增大。

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與使用完全對稱的H橋的開關輸出架構不同，新產品設計策略（例如一種與ADI公司的ADN8830 TEC控制器一起使用（已獲得專利））將橋的一側以線性模式使用，另一側以開關模式使用，以提高輸出效率。 。線性和開關輸出級的這種組合將輸出紋波電流減小了兩倍，減少了外部組件數(shù)量，但提高了效率。當處于大信號運行狀態(tài)時，線性模式輸出級將根據(jù)TEC是在加熱模式還是在冷卻模式工作，在飽和到電源軌之一的“開關模式”下工作，以提高效率。在小信號操作中，線性模式輸出級將以線性模式操作，以在加熱模式和冷卻模式之間提供平穩(wěn)的過渡。

準確性和長期穩(wěn)定性

如果熱敏電阻是理想的無誤差器件，則溫度精度將僅取決于輸入誤差放大器的失調。

需要考慮兩個溫度穩(wěn)定性：短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。短期穩(wěn)定性定義為相對于TEC控制器的環(huán)境溫度變化的目標溫度變化（以°C /°C為單位）。目標溫度變化是由環(huán)境溫度變化引起的輸入失調電壓漂移引起的。長期穩(wěn)定性定義為目標溫度隨時間變化（以°C /年為單位）。與上述相同，該目標溫度變化通常源于偏移電壓隨時間的變化，通常需要數(shù)年時間。

如果單芯片TEC控制器在前端使用自動調零放大器，其失調電壓約為1μV，并且不會隨時間或溫度而漂移，那么它可以實現(xiàn)最終的溫度精度和優(yōu)于±0.01的長期穩(wěn)定性。 ℃。

噪聲性能–紋波電流

如果輸出濾波電容器和輸出電感器保持相同的值，則降低開關頻率將提高功率效率，并且還會增加流經(jīng)TEC控制器的紋波電流。為了將紋波電流限制在一定限度以下，開關頻率必須足夠高，因此必須犧牲一些TEC控制器的效率。圖5顯示，對于給定的紋波電流，所需的電感和電容隨開關頻率的增加而減小。

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對于大多數(shù)應用而言，典型的電感值為4μH，可維持1.5A的TEC電流和500KHz的默認開關頻率，從而使輸出電壓紋波維持在1％以下。采用非對稱架構（即ADN8830）設計的TEC控制器將紋波電流降低了一半。

補償網(wǎng)絡優(yōu)化-穩(wěn)定性與響應速度

補償網(wǎng)絡會影響響應速度和溫度穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)高響應速度（即建立時間短）和高溫穩(wěn)定性，網(wǎng)絡需要精確匹配熱負荷。但是，這樣做并非易事。精確匹配的補償網(wǎng)絡為熱控制回路的穩(wěn)定性留出了較少的余量。保守補償?shù)木W(wǎng)絡會導致更長的建立時間，但可以容忍TEC驅動電流和溫度傳感器之間的熱傳遞特性發(fā)生更多變化。

一些單芯片TEC控制器使用外部補償網(wǎng)絡，并且僅需要幾個電阻器和電容器。設計人員可以根據(jù)其熱負載特性調整補償網(wǎng)絡，從而獲得最佳的溫度穩(wěn)定時間和穩(wěn)定性裕度。

多TEC操作-與其他TEC控制器的接口

TEC控制器可以組合在一起以控制多個TEC，即多控制器操作。開關頻率需要同步，但是開關相位需要交錯。交織開關相位可以使施加在電源線上的開關紋波電壓最小。

在多控制器操作中，上電過程應該是順序的。打開一個TEC控制器，然后等待溫度就緒引腳變?yōu)門RUE，表明目標溫度等于設定點溫度。然后打開下一個TEC。這樣，電源將不會出現(xiàn)大電流尖峰。因此，頻率同步和相位交織控制功能必將為此類系統(tǒng)設計增加價值。準備好溫度是幾乎所有應用程序的另一個有用功能。

控制，監(jiān)控和保護

TEC控制器可以單獨使用，也可以進行廣泛的控制和監(jiān)視。需要根據(jù)系統(tǒng)需求設置控制和監(jiān)視范圍。這些是經(jīng)?？刂频膮?shù)：目標溫度，TEC最大電流，TEC控制器關閉等。這些是可以監(jiān)視的參數(shù)：目標溫度，TEC電流，TEC電壓，溫度就緒指示等。

為了使系統(tǒng)可靠運行，有效指示系統(tǒng)故障非常重要。保護熱敏電阻和TEC的開路或短路至關重要。限流和限壓功能對于確保系統(tǒng)可靠也很重要。

結論

控制TEC給設計人員帶來了許多挑戰(zhàn)。系統(tǒng)芯片包括控制TEC所需的大多數(shù)功能，因此可將許多挑戰(zhàn)降至最低。同時，它降低了成本和PCB空間，提高了效率和可靠性，從而實現(xiàn)了最佳的TEC控制功能。選擇合適的TEC控制器芯片將有助于工程師實現(xiàn)高性能設計。