設計高性能TEC控制器

作者：Yang Zhang and James Ashe

在光通信系統(tǒng)中，二極管激光器大多用作發(fā)射器中的信號源或光放大器中的能量源，它們的運行直接影響整個系統(tǒng)的性能。只有在恒定溫度下，二極管激光器才能穩(wěn)定運行，否則，它們的輸出波長和功率效率將發(fā)生巨大變化。

特別是，密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)將大量不同波長的激光束組合在一起，并將組合的激光束注入到一根光纖中。每個激光器的波長需要均勻地放置在光纖的低衰減波長窗口內，以便光纖另一端的光解復用器可以將每個激光束與其他激光束區(qū)分開來，而不會產生串擾。由于激光束的波長隨激光溫度而變化，因此保持準確穩(wěn)定的激光溫度是這些DWDM系統(tǒng)的關鍵任務。

在摻鉺光纖放大器（EDFA）中，二極管激光器用作能量源，即所謂的泵浦激光器。激光溫度需要保持在恒定值，以便激光功率穩(wěn)定并最小化噪聲。

此外，電信系統(tǒng)中使用的許多無源光學元件，如濾波器、陣列波導（AWG），對其溫度很敏感。為了穩(wěn)定其光學參數(shù)，需要對這些組件的溫度進行良好的控制。

因此，溫度控制是當今光通信系統(tǒng)設計中一項重要而關鍵的任務。

TEC – 熱/冷發(fā)電機

TEC，熱電冷卻器，可以通過使用珀爾帖效應產生熱量和冷量。與其他冷熱發(fā)生器相比，TEC具有許多優(yōu)點：易于控制溫度，體積小，無噪音，無移動部件，使用壽命長等。所有這些都對電信組件很重要和關鍵。

TEC有兩面，當向TEC施加直流電壓時，導致直流電流沿一個方向流動，兩邊一面變熱，另一面變冷;反轉電壓將反轉熱傳遞方向——第一側現(xiàn)在變冷，第二側變熱。在實踐中，制造商以這樣的方式命名“熱”側和“冷”側，當電流流入TEC的指定正極端子（另一個端子被指定為負極端子）時，變熱的一側稱為“熱”側，而另一側變冷，稱為“冷”側。這樣，一面總是被稱為“熱”的一面，即使它有時被用來產生“冷”。這同樣適用于“冷”的一面。通常，安裝兩個端子引線的一側是熱側，通常安裝在散熱器上，而另一側，即冷側，通常用于安裝需要控制其溫度的目標。

產生冷時，當電流流入正極端子時，TEC 將熱量從冷側移動到熱側。電流越高，移動的熱量就越大。在此過程中，兩側都會產生熱量。當電流增加到一定水平時，冷側電流產生的熱量等于熱量從冷側移開，冷側溫度停止下降，即TEC的熱輸出功率變?yōu)榱恪?/p>

TEC的兩個主要參數(shù)是其最大電流和最大電壓。它們被定義為：熱縮短TEC的熱側和冷側，使TEC輸出最大熱流量的電流是最大電流。TEC兩端在最大電流下的電壓是最大電壓。

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

TEC的尺寸范圍從2毫米×2毫米×1.5毫米到50毫米×50毫米×4毫米。電信組件中的大多數(shù)TEC的尺寸從5毫米×5毫米×2毫米到10毫米×10毫米×3毫米不等。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，目標上的溫度可以保持在0.00001°C以內。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距要求。在EDFA應用中，所需的溫度穩(wěn)定性通常為±0.2°C至±0.5°C。 對于無源光學元件，穩(wěn)定性要求范圍更寬：±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。第一個元件是溫度傳感器，用于測量安裝在TEC冷側的目標的溫度。電信元件中最常用的溫度傳感器是溫度敏感電阻器，即熱敏電阻。熱敏電阻的電阻隨著溫度的升高而減小。熱敏電阻的電阻轉換為電壓，代表測量的目標溫度。代表設定點溫度（即所需目標溫度）的外部電壓通過op-am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，補償目標和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橋沿目標溫度升高的方向和幅度驅動TEC。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。當控制環(huán)路穩(wěn)定時，TEC電流大小和方向恰到好處，因此目標溫度等于設定點溫度。

圖1.TEC 控制器的框圖。

熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、成本低等優(yōu)點。對于高絕對精度應用，熱敏電阻具有高長期漂移（±0.1°C/年）和高絕對誤差（±1%）的缺點。其他類型的溫度傳感器，如RTD，一種基于鉑電阻的器件，可用于需要較低漂移和較小誤差的應用。

TEC控制器可按輸出級的工作模式分類：線性模式和開關模式。線性模式TEC控制器的設計和制造更簡單，但缺點是功率效率非常低，范圍從20%到40%。TEC控制器的開關模式H橋具有高功率效率的優(yōu)點，但需要兩個高功率電感器和低ESR電容來構成輸出濾波器。ADI公司制造的ADN8830在H橋中使用一個線性模式和一個開關模式輸出級。這種結構將大功率笨重的濾波元件數(shù)量減少了一半，同時將電源效率提高到90%以上。此外，ADN8830包含圖1所示的所有控制功能塊，從而形成一個IC TEC控制器解決方案。

高效TEC控制器為系統(tǒng)帶來多種優(yōu)勢：

產生更少的熱量 – 減輕將熱量傾倒到外部的需要。

消耗更少的電力 – 降低電源的功率要求并降低成本。

在較低溫度下運行 – 提高控制器的可靠性。

無需散熱器 – 減小封裝尺寸并降低成本。

設計高性能TEC控制器

最佳的TEC控制器應具有以下主要規(guī)格的最佳組合：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，所需的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，必須充分理解和權衡所有這些主要參數(shù)。

開關頻率

選擇開關模式輸出級是實現(xiàn)高效率的必要條件。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顯示了系統(tǒng)成本如何隨著開關頻率的增加而降低。圖3顯示了PCB面積如何隨著開關頻率的增加而減小。然而，較高的開關頻率會產生更高的EMI（電磁干擾）噪聲和更低的功率效率。

圖2.PCB空間與開關頻率的關系

圖3.系統(tǒng)成本與開關頻率的關系

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，高效率是以一定的成本實現(xiàn)的。

有幾個因素決定了效率。這些是限制效率的功率損耗因素：

驅動器斷電。這是在開關模式輸出級驅動兩個開關穩(wěn)壓器的柵極所需的功率。它與開關頻率成正比，即當開關頻率加倍時，驅動功率損耗將加倍?？梢酝ㄟ^降低開關頻率和/或選擇低輸入電容的開關穩(wěn)壓器來降低開關頻率。

電感和開關MOSFET中的輸出容性負載損耗，即在開關模式級輸出端驅動輸出電容引起的損耗。該損耗也與頻率成正比，可通過使用低輸入電容電感器和低輸出電容開關MOSFET來降低。

鐵損失。它由電感磁芯中的遲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的頻率時較低，但隨著開關頻率接近1MHz，損耗會迅速增加。選擇使用高頻鐵氧體磁芯的電感可以降低這種損耗。

切換器羅恩損失。開關在傳導電流時電阻引起的損耗。使用低Ron MOSFET將降低這種損耗。

輸出電感DCR損耗。輸出濾波電感器在傳導交流和直流電流時產生的直流電阻引起的損耗。使用低DCR的電感會降低這種損耗，但電感的尺寸會增大。

圖4.效率與開關頻率的關系增加。

與使用完全對稱H橋的開關輸出架構不同，新產品設計策略（如ADI公司的ADN8830 TEC控制器（專利））使用電橋的一端為線性模式，另一端為開關模式，以提高輸出效率。線性和開關輸出級的這種組合可將輸出紋波電流降低兩倍，減少外部元件數(shù)量，同時提高效率。在大信號運行時，線性模式輸出級將以“開關模式”運行，飽和到其中一個電源軌，具體取決于TEC是在加熱模式還是冷卻模式下工作，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運行，以提供加熱模式和冷卻模式之間的平滑過渡。大多數(shù)單芯片TEC控制器使用外部MOSFET，這使設計人員能夠靈活地滿足各種驅動電流要求，同時最大限度地提高效率。

精度和長期穩(wěn)定性

如果熱敏電阻是理想的無差錯器件，則溫度精度僅取決于輸入誤差放大器的失調。

需要考慮兩種溫度穩(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的變化（以°C/年為單位）。與上述相同，該目標溫度變化源于失調電壓隨時間的變化，通常在幾年內。

如果單芯片TEC控制器在前端使用失調電壓為1μV量級的自穩(wěn)零放大器，并且不隨時間或溫度漂移，則可以實現(xiàn)優(yōu)于±0.01°C的最終溫度精度和長期穩(wěn)定性。

噪聲性能 – 紋波電流

降低開關頻率可提高電源效率，如果輸出濾波電容和輸出電感保持相同值，也會增加通過TEC控制器的紋波電流。為了將紋波電流限制在某個限值以下，開關頻率必須足夠高，因此必須犧牲一些TEC控制器效率。圖5顯示，對于給定的紋波電流，所需的電感和電容會隨著開關頻率的增加而減小。

圖5.電感和電容與開關頻率的關系

對于大多數(shù)應用，4μH的典型電感值可以保持小于1%的輸出電壓紋波，持續(xù)1.5A TEC電流和500KHz的默認開關頻率。 TEC控制器采用非對稱架構（即ADN8830）設計，可將紋波電流減半。

補償網絡優(yōu)化——穩(wěn)定性與響應速度

補償網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，即較短的建立時間和高溫穩(wěn)定性，網絡需要精確匹配熱負載。然而，這樣做并不是一件容易的事。精確匹配的補償網絡為熱控制回路的穩(wěn)定性留下了更少的余量。保守補償網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熱傳遞特性的更多變化。

一些單芯片TEC控制器使用外部補償網絡，只需要幾個電阻器和電容器。設計人員可以根據其熱負荷特性調整補償網絡，從而實現(xiàn)最佳溫度建立時間和穩(wěn)定性裕量。

多 TEC 操作 — 與其他 TEC 控制器接口

TEC控制器可以組合在一起，以控制多個TEC的多控制器操作。開關頻率需要同步，但開關相位需要交錯。交錯開關相位可以最大限度地減少施加在電源線上的開關紋波電壓。

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，等待溫度就緒引腳變?yōu)門RUE，表示目標溫度等于設定點溫度。然后打開下一個 TEC。這樣，電源就不會看到大的電流尖峰。因此，頻率同步和相位交錯控制功能肯定會為此類系統(tǒng)設計增加價值。溫度就緒是幾乎所有應用的另一個有用功能。

控制、監(jiān)測和保護

TEC控制器可以單獨使用，也可以進行廣泛的控制和監(jiān)控?？刂坪捅O(jiān)控秤需要根據系統(tǒng)需要進行設置。這些是經?？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)控的參數(shù)：目標溫度、TEC 電流、TEC 電壓、溫度就緒指示等。

為了可靠的系統(tǒng)運行，有效指示系統(tǒng)故障非常重要。防止熱敏電阻和TEC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，因此最大限度地減少了其中的許多挑戰(zhàn)。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。

審核編輯：郭婷