TEC 控制器在電信系統(tǒng)中的應(yīng)用指南

作者：YAJUNG TU產(chǎn)品應(yīng)用工程師Analog Devices

激光二極管在光纖通信系統(tǒng)中用作發(fā)送信號(hào)的發(fā)射激光器、用于摻鉺光纖放大器 (EDFA) 和半導(dǎo)體光放大器 (SOA) 的泵浦激光器。在這些應(yīng)用中，激光器的特性，包括波長(zhǎng)、平均光功率、效率和消光比都必須保持穩(wěn)定，以確保電信系統(tǒng)的整體性能。然而，這些特性取決于激光器的溫度：只要溫度漂移，波長(zhǎng)就會(huì)改變，轉(zhuǎn)換效率就會(huì)下降。所需的溫度穩(wěn)定性范圍為 ±0.001°C 至 ±0.5°C，因應(yīng)用而異。??

溫度控制需要一個(gè)由熱敏電阻、熱電冷卻器 (TEC) 和 TEC 控制器組成的回路。由于熱敏電阻的電阻隨溫度成比例變化（負(fù)比例或正比例，取決于熱敏電阻的類型），當(dāng)配置為分壓器時(shí)，它可用于將溫度轉(zhuǎn)換為電壓。TEC 控制器會(huì)將這個(gè)反饋電壓與代表目標(biāo)溫度的參考電壓進(jìn)行比較，然后通過控制流過它的電流來調(diào)整 TEC 必須傳遞的熱量。??

上述系統(tǒng)的總圖?如圖1所示。激光二極管、TEC 和熱敏電阻位于激光模塊內(nèi)部。TEC 控制器 ADN8833 或 ADN8834 將從熱敏電阻讀取反饋電壓并向 TEC 提供驅(qū)動(dòng)電壓。微控制器用于監(jiān)視和控制熱回路。請(qǐng)注意，熱回路也可以在模擬電路中構(gòu)建。ADN8834 具有兩個(gè)內(nèi)置的零漂移斬波放大器，可用作 PID 補(bǔ)償器。??

本文將描述電信系統(tǒng)中激光二極管熱控制系統(tǒng)的組成，并介紹主要部件的關(guān)鍵規(guī)格。目的是從系統(tǒng)級(jí)的角度介紹設(shè)計(jì)考慮，為設(shè)計(jì)人員提供如何構(gòu)建具有良好溫度控制精度、低損耗和小尺寸的高性能系統(tǒng)的總體指南。

圖 1：激光模塊的溫度控制系統(tǒng)。 ? ?

熱電冷卻

TEC 技術(shù) TEC 由兩個(gè)表面陶瓷板和其間交替放置的 P 型和 N 型半導(dǎo)體陣列組成，?如圖 2 所示。當(dāng)電流流過這些半導(dǎo)體時(shí)，熱量會(huì)在一端被吸收，在另一端釋放，當(dāng)電流方向反轉(zhuǎn)時(shí)，熱傳遞也會(huì)反轉(zhuǎn)。這個(gè)過程稱為珀?duì)柼?yīng)。N型半導(dǎo)體中的載流子是電子；因此，它的載流子和熱量從陽極流向陰極。對(duì)面的 P 型半導(dǎo)體具有空穴載流子，熱量也沿相反方向流動(dòng)。取一對(duì) PN 半導(dǎo)體并用金屬板將它們連接起來，?如圖 3 所示，當(dāng)電流流過時(shí)，熱量將沿一個(gè)方向傳遞。??

通過改變直流電壓的極性使傳熱方向可逆，傳熱量與電壓幅值成正比。憑借其簡(jiǎn)單性和穩(wěn)健性，熱電冷卻被應(yīng)用于電信系統(tǒng)中的各種熱調(diào)節(jié)應(yīng)用。

圖 2：帶散熱器的 TEC 模塊。

圖 3：珀?duì)柼?yīng)：PN 半導(dǎo)體對(duì)的熱流。 ? ?

選擇 TEC 模塊 選擇 TEC 模塊時(shí)需要考慮系統(tǒng)中的許多因素，例如環(huán)境溫度、目標(biāo)對(duì)象溫度、熱負(fù)載、電源電壓和模塊的物理特性。必須仔細(xì)估算熱負(fù)荷，以確保所選的 TEC 模塊有足夠的能力從系統(tǒng)中抽出熱量以維持目標(biāo)溫度。TEC模塊制造商通常在數(shù)據(jù)表中提供兩條性能曲線；一張顯示了在不同溫度增量 (ΔT) 與電源電壓之間的傳熱能力，另一張顯示了在電源電壓和 ΔT 的不同組合下所需的冷卻/加熱電流。設(shè)計(jì)人員可以估算模塊的功率容量并確定它是否足以滿足特定應(yīng)用的需求。??

TEC控制器操作和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使用 TEC 補(bǔ)償溫度，TEC 控制器應(yīng)該能夠根據(jù)反饋誤差產(chǎn)生一個(gè)可逆的差分電壓，同時(shí)提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏飨拗?。ADN8834的簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖?如圖4所示。主要功能塊包括溫度檢測(cè)電路、誤差放大器和補(bǔ)償器、TEC 電壓/電流檢測(cè)和限制電路以及差分電壓驅(qū)動(dòng)器。

圖 4：?jiǎn)纹?TEC 控制器 ADN8834 的框圖。 ? ?

差分電壓驅(qū)動(dòng)器 TEC 控制器輸出一個(gè)差分電壓，以便通過 TEC 的電流方向可以將熱量從 TEC 上的物體上抽走，或者平滑地切換到相反的極性以將熱量泵入物體。電壓驅(qū)動(dòng)器可以是線性模式、開關(guān)模式或這兩種驅(qū)動(dòng)器的混合橋。線性模式驅(qū)動(dòng)器更簡(jiǎn)單、更小，但效率低下。另一方面，開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器具有良好的效率——高達(dá) 90% 以上——但在輸出端需要額外的濾波電感器和電容器。ADN8833 和 ADN8834 采用混合配置，配備一個(gè)線性模式驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器，將笨重的濾波組件數(shù)量減少一半，同時(shí)保持高效性能。 ??

電壓驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)對(duì)控制器至關(guān)重要，因?yàn)樗紦?jù)了大部分功耗和電路板空間。一個(gè)最佳的驅(qū)動(dòng)器級(jí)可以幫助最小化功率損耗、電路尺寸、對(duì)散熱器的需求以及成本。??

使用 NTC 熱敏電阻進(jìn)行溫度檢測(cè)圖 5 ?顯示了負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻隨溫度變化的阻抗。由于其溫度依賴性，當(dāng)作為分壓器連接時(shí)，它可用于將溫度轉(zhuǎn)換為電壓。典型連接如圖?6所示；VFB 隨 RTH 隨溫度變化而變化。通過添加與熱敏電阻串聯(lián)的 RX，溫度到電壓的傳遞函數(shù)可以相對(duì)于 VREF 線性化，?如圖 7 所示。重要的是它與模塊外殼內(nèi)部的激光器緊密耦合，與外部溫度干擾隔離，因此它可以準(zhǔn)確地感應(yīng)溫度。

圖 5：NTC 隨溫度變化的阻抗曲線。

圖 6：作為分壓器連接的 NTC 熱敏電阻將溫度讀取為電壓。

圖 7：VFB 隨溫度變化。 ? ?

誤差放大器和補(bǔ)償 器 模擬熱反饋回路具有由兩個(gè)放大器組成的兩級(jí)，?如圖 8 所示。第一個(gè)放大器采用熱反饋電壓 (VFB) 并將輸入轉(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)為線性電壓輸出。該電壓代表物體溫度，并饋入補(bǔ)償放大器，在此與溫度設(shè)定點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生與差值成比例的誤差電壓。如圖所示，第二個(gè)放大器通常用于構(gòu)建一個(gè) PID 補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器由一個(gè)極低頻極點(diǎn)和兩個(gè)較高頻率的獨(dú)立零點(diǎn)組成。 ??

PID 補(bǔ)償器可以通過數(shù)學(xué)或經(jīng)驗(yàn)來確定。要對(duì)熱回路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，需要 TEC、激光二極管、連接器和散熱器的精確熱時(shí)間常數(shù)，而這并不容易獲得。憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整補(bǔ)償器更為常見。通過在溫度設(shè)定點(diǎn)終端中聲明一個(gè)階躍函數(shù)并改變目標(biāo)溫度，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以最小化 TEC 溫度的穩(wěn)定時(shí)間。?

激進(jìn)型補(bǔ)償器對(duì)熱擾動(dòng)反應(yīng)迅速，但也很容易變得不穩(wěn)定，而保守型補(bǔ)償器穩(wěn)定緩慢，但可以容忍熱擾動(dòng)，但過沖的可能性較小。在系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間之間取得平衡很重要。

圖 8：使用 ADN8834 內(nèi)部的兩個(gè)斬波放大器的熱反饋回路圖。 ?

TEC控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能

溫度調(diào)節(jié)精度 有時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差仍然存在，即使 PID 補(bǔ)償器設(shè)計(jì)得當(dāng)。有幾件事可能會(huì)導(dǎo)致此錯(cuò)誤：?

TEC 熱功率預(yù)算：TEC 和電源電壓是設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)首先選擇的兩個(gè)因素。但是，由于熱負(fù)荷不易估算，因此選擇可能不正確。在某些情況下，當(dāng) TEC 已施加最大電功率但仍無法滿足目標(biāo)溫度時(shí)，這可能意味著熱功率預(yù)算不足以處理熱負(fù)荷。增加電源電壓或選擇具有更高額定功率的 TEC 可以解決此問題。

參考電壓一致性：參考電壓會(huì)隨著溫度和時(shí)間而漂移，如果熱回路閉合，這通常不是問題。然而，特別是在數(shù)字控制系統(tǒng)中，TEC 控制器和微控制器的參考電壓可能會(huì)發(fā)生不同的漂移，從而導(dǎo)致補(bǔ)償器看不到的誤差。建議兩個(gè)電路使用相同的參考電壓，使用驅(qū)動(dòng)能力較高的電壓覆蓋另一個(gè)。

溫度傳感：精確傳感負(fù)載溫度對(duì)于最大限度地減少溫度誤差至關(guān)重要。來自反饋的任何錯(cuò)誤都將被引入系統(tǒng)，并且無法由補(bǔ)償器糾正。使用高精度熱敏電阻和自動(dòng)調(diào)零放大器來避免錯(cuò)誤。熱敏電阻的放置也很重要。確保它連接到激光器上，以便它可以讀取它控制的實(shí)際溫度。

效率 驅(qū)動(dòng)級(jí)消耗 TEC 控制器的大部分功率。在 ADN8833/34 中，考慮到其輸入至輸出電壓降和負(fù)載電流，線性驅(qū)動(dòng)器的功耗很容易計(jì)算。開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器的損耗比較復(fù)雜，大致可以細(xì)分為導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和過渡損耗。傳導(dǎo)損耗與 R ds(on)?成正比場(chǎng)效應(yīng)管和濾波電感的直流電阻。它可以通過選擇低電阻元件來減少。開關(guān)損耗和過渡損耗很大程度上取決于開關(guān)頻率。頻率越高，損耗越大，但可以減小無源元件的尺寸。為了實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，必須仔細(xì)考慮效率和空間之間的權(quán)衡。??

噪聲和紋波 ADN8833/34 中的開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器開關(guān)頻率為 2 MHz，快速 PWM 開關(guān)時(shí)鐘沿包含寬頻譜，在 TEC 端子處產(chǎn)生電壓紋波，并在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。通過添加適當(dāng)?shù)娜ヱ詈图y波抑制電容器可以降低噪聲和紋波。?

在電源電壓軌上，紋波主要由開關(guān)模式電源常用的降壓拓?fù)渲械?PWM FET 斬波的不連續(xù)電流引起。并聯(lián)使用多個(gè) SMT 陶瓷電容器以降低 ESR 并局部去耦電源電壓。在開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器輸出節(jié)點(diǎn)上，電壓紋波是由濾波電感的電流紋波引起的。為了抑制這種紋波，在驅(qū)動(dòng)器的輸出到地之間并聯(lián)多個(gè) SMT 陶瓷電容器。由于紋波電壓主要由電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和電感器紋波電流的乘積決定：ΔV TEC = ESR · ΔI L。使用多個(gè)電容并聯(lián)可以有效降低等效ESR。?

為電信系統(tǒng)中的激光二極管設(shè)計(jì) TEC 控制器系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。除了熱精度方面的挑戰(zhàn)外，封裝尺寸通常非常小，功耗容差也很低。一般來說，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的TEC控制器應(yīng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：?

精確的溫度調(diào)節(jié)

高效率

小板尺寸

低噪聲

電流電壓監(jiān)測(cè)與保護(hù)

審核編輯 黃昊宇
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