單芯片電路的熱電冷卻器（TEC）應(yīng)用設(shè)計

光學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備是激光二極管，因為它負責將電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光脈沖。必須仔細控制該二極管以穩(wěn)定光輸出，溫度是確定光波長的關(guān)鍵變量。熱電冷卻器（TEC）通常用作此穩(wěn)定過程的一部分。由于TEC具有許多不同的功率級別，并且具有獨特的功率要求，因此需要使用特定類型的電源來正確驅(qū)動它們。

TEC將熱能從一個板傳遞到另一個板，以使第一個板變涼或變暖。TEC本身并不消耗能量。換句話說，沒有能量損失，但是操作TEC需要能量。TEC被建模為一個簡單的電阻器，可以承受其兩端的一定電壓和通過它的電流。對于給定的TEC，該功率對應(yīng)于兩個板之間的相對溫差。施加的功率越高，板之間的溫差越高。

1.顯示的是一個簡單電路（TI參考設(shè)計PMP9759）的示例，該電路雙向驅(qū)動流過TEC的電流。單芯片降壓-升壓轉(zhuǎn)換器需要最少的組件數(shù)量。

TEC的重要方面是其加熱和冷卻的能力。由于TEC是永久性安裝或連接到需要溫度調(diào)節(jié)的激光器或其他設(shè)備上的，因此只有一塊板可以控制激光器的溫度。另一塊板必須安裝到散熱器上，以釋放從第一塊板移出的能量。兩塊板都需要良好的熱連接，以實現(xiàn)系統(tǒng)性能。

一旦安裝到系統(tǒng)中，這些板就不能反轉(zhuǎn)。TEC必須支持給定方向的冷卻和加熱。TEC通過控制電流的方向來支持這種補充功能。沿一個方向流動的電流會冷卻一個板并加熱另一個板，而沿相反方向流動的電流會逆轉(zhuǎn)此動作，從而加熱第一個板并冷卻第二個板。與僅在一個方向上流動的電流相比，其結(jié)果是溫度控制范圍更廣。

由于TEC需要雙向電流才能達到所需的性能，因此其電源也必須支持這種雙模式。但是，許多電源只能提供電流。因此，需要設(shè)計專用電路來在需要冷卻與加熱時交換從電源到TEC的連接，這會使電源的實現(xiàn)復(fù)雜化。

2.該電路僅通過一個轉(zhuǎn)換器和幾個無源元件就可產(chǎn)生流經(jīng)TEC的雙向電流。

一種替代方法是設(shè)計一種電源，該電源可以在不連接TEC的情況下產(chǎn)生和吸收電流，從而滿足電流需求。但是，只有某些電源設(shè)計支持拉電流和灌電流。此外，電源必須支持接近零電流值的操作，這是一個常見的工作點。

圖1中的電源是可以為低功率TEC提供和吸收電流的電路。例如，使用降壓/升壓轉(zhuǎn)換器（例如TPS63020）對提供的輸入電壓進行降壓或升壓，以生成所需的電流方向。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的拓撲支持較寬的輸出電壓范圍，在這種情況下為1.2至5.5V。

通過集成所有功率MOSFET并需要最少的外部組件，對于尺寸至關(guān)重要的低功率TEC（例如最小的光網(wǎng)絡(luò)模塊），該電路是更可取的方法。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器由光網(wǎng)絡(luò)模塊中的公共3.3V電源供電。TEC與電源的連接（圖2）允許TEC上的電壓差為+ 2.1V至–2.2V。此外，在這種配置中，很容易支持接近零電流的普通工作點。

TEC方向?qū)ζ浼訜峄蚶鋮s至關(guān)重要。現(xiàn)代電子產(chǎn)品通?？雌饋碛行嘏?，易于進一步加熱。但是，通常很難將TEC冷卻到足以達到所需的激光波長。因此，將TEC接線，以便在降壓-升壓轉(zhuǎn)換器提供電流時冷卻它。與許多源極和漏極轉(zhuǎn)換器一樣，TPS63020所能提供的電流要大于其所能吸收的電流。因此，在下沉?xí)r它可以提供較少的功率，因此應(yīng)使用下沉電流來加熱TEC。

3.在完整的閉環(huán)TEC溫度調(diào)節(jié)電路中，MCU讀取溫度傳感器并生成輸出控制信號到降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，以適當?shù)卣{(diào)節(jié)TEC的溫度。

在整個系統(tǒng)（圖3）中，微控制器（MCU）監(jiān)視TEC上的溫度傳感器。根據(jù)TEC的實際溫度與所需溫度（設(shè)定點），MCU調(diào)整控制信號（V CTRL），以將降壓-升壓轉(zhuǎn)換器移至新的工作點，以提供或吸收更多或更少的電流來調(diào)整溫度。
編輯：hfy