在光纖電信係統中，激光二極管用作發送信號的發射激光器，以及摻鉺光纖放大器(EDFA)和光放大器(SOA)的泵激光器。在這些應用中，激光器的特性(包括波長、平均光功率、效率和消光比)必須保持穩定以確保電信係統的整體性能良好。然而，這些特性取決於激光器的溫度：隻要溫度發生漂移，波長就會改變，轉換效率將會降低。要求的溫度穩定性介於±0.001°C至±0.5°C，具體數值視應用而定。

 

為了控製溫度
，需要一個由熱敏電阻、熱電冷卻器(TEC)和TEC控製器組成的環路。熱敏電阻的阻值與溫度成比例變化(反比或正比，取決於熱敏電阻類型)
，當配置為分壓器時，可利用它來將溫度轉換為電壓。TEC控製器將該反饋電壓與代表目標溫度的基準電壓進行比較，然後控製流經TEC的電流

，從而調整TEC傳輸的熱量。

 

上述係統的一般框圖如圖1所示。激光二極管、TEC和熱敏電阻位於激光模塊內部。TEC控製器ADN8833或ADN8834讀取熱敏電阻的反饋電壓，並向TEC提供驅動電壓。使用微控製器監測和控製熱環路。注意
，熱環路也可以在模擬電路中構建。ADN8834內置兩個零漂移斬波放大器，可將其用作PID補償器。

 

本(ben)文(wen)將(jiang)說(shuo)明(ming)電(dian)信(xin)係(xi)統(tong)中(zhong)激(ji)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)熱(re)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)組(zu)成(cheng)，並(bing)介(jie)紹(shao)主(zhu)要(yao)器(qi)件(jian)的(de)關(guan)健(jian)規(gui)格(ge)。本(ben)文(wen)的(de)目(mu)的(de)是(shi)從(cong)係(xi)統(tong)角(jiao)度(du)闡(chan)述(shu)各(ge)項(xiang)設(she)計(ji)考(kao)慮(lv)，為(wei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)溫(wen)度(du)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)、低損耗

、小尺寸的高性能係統提供全局性指南。

 

圖1.激光模塊的溫度控製係統

 

 

熱電冷卻器包括兩片表麵陶瓷板，其間交替放置P型和N型半導體陣列，如圖2所示。

 

當電流流經這些導體時，熱量將在一端吸收並在另一端釋放;當電流方向相反時，熱傳輸也會反向。該過程稱為珀爾帖效應。N型半導體中的載流子是電子，因此
，其載流子和熱量從陽極流向陰極。對麵的P型半導體具有空穴載流子
，熱量也沿相反方向流動。

 

圖2.帶散熱器的TEC模塊

 

取一對P-N半導體對，用金屬板將其連接起來，如圖3所示;當電流流過時，熱量將沿一個方向傳輸。

 

改變直流電壓的極性可改變熱傳輸方向
，傳輸的熱量與電壓幅度成比例。由於既簡單又魯棒，熱電冷卻被廣泛用於電信係統的熱調理。

 

圖3.珀爾帖效應：P-N半導體對的熱流

 

 

選擇TEC模塊時，需要考慮係統中的許多因素，如環境溫度、對象目標溫度
、熱負荷、電源電壓和模塊的物理特性等。必須認真評估熱負荷，確保所選TEC模塊有足夠的容量來將熱量從係統泵出以維持目標溫度。TEC模塊製造商在數據手冊中通常會提供兩條性能曲線。一條曲線顯示電源電壓範圍內不同溫差(ΔT)下的熱傳輸容量，另一條曲線顯示電源電壓和ΔT的不同組合所需要的冷卻/加熱電流。設計人員可以估計模塊的功率容量
，確定它能否滿足特定應用需要。

 

 

為了利用TEC補償溫度，TEC控製器應能根據反饋誤差產生可逆差分電壓，並提供適當的電壓和電流限值。圖4為ADN8834的簡化係統框圖。主要功能模塊包括溫度檢測電路、誤差放大器和補償器、TEC電壓/電流檢測和限值電路
、差分電壓驅動器。

 

圖4.單芯片TEC控製器ADN8834功能框圖

 

 

TEC控製器輸出一個差分電壓，使得通過TEC的電流可以帶走連接到TEC的對象的熱量，或者平穩地變為相反極性以加熱該對象。電壓驅動器可以是線性模式、開關模式或混合電橋。線性模式驅動器更簡單且更小，但效率不佳。開關模式驅動器具有良好的效率——高達90%以上——但輸出端需要額外的濾波電感和電容。ADN8833和ADN8834使用混合配置

，含有一個線性驅動器和一個開關模式驅動器，體積較大濾波元件的數量減半，同時能夠保持高效率性能。

 

電壓驅動器設計對控製器至關重要
，因為它占用了大部分功耗和電路板空間。優化的驅動器級有助於最大程度地縮減功率損耗、電路尺寸、散熱器需求和成本。

 

 

圖5顯示了負溫度係數(NTC)熱敏電阻在溫度範圍內的阻抗。由於它與溫度具有相關性，因此可將其連接為分壓器，從而將溫度轉換為電壓。典型連接如圖6所示。當RTH隨溫度而變化時，VFB也會變化。增加一個Rx與熱敏電阻串聯，便可相對於VREF將溫度電壓傳遞函數線性化
，如圖7所示。必須將其與模塊殼內部的激光器緊密耦合，隔絕外部溫度波動影響，使其能精確檢測溫度。

 

 

 

模擬熱反饋環路包括兩級
，由兩個放大器構成，如圖8所示。第一個放大器接受熱反饋電壓(VFB)，jianggaishuruzhuanhuanhuotiaojieweixianxingdianyashuchu。cidianyadaibiaoduixiangwendu
，kuirubuchangfangdaqizhong，yuwendushedingdianyajinxingbijiao，chanshengyigeyuerzhezhichachengbilidewuchadianya。diergefangdaqitongchangyonglaigoujianyigePID補償器，後者包括一個極低頻率極點

、兩個不同的較高頻率零點和兩個高頻極點，如圖8所示。

 

PID補償器可通過數學方法或經驗方法確定。要從數學上模擬熱環路
，需要TEC、激光二極管、連(lian)接(jie)器(qi)和(he)散(san)熱(re)器(qi)的(de)精(jing)確(que)熱(re)時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)，這(zhe)不(bu)太(tai)容(rong)易(yi)獲(huo)得(de)。利(li)用(yong)經(jing)驗(yan)方(fang)法(fa)調(tiao)諧(xie)補(bu)償(chang)器(qi)更(geng)為(wei)常(chang)見(jian)。通(tong)過(guo)假(jia)定(ding)溫(wen)度(du)設(she)定(ding)端(duan)具(ju)有(you)某(mou)個(ge)階(jie)躍(yue)函(han)數(shu)並(bing)改(gai)變(bian)目(mu)標(biao)溫(wen)度(du)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)調(tiao)整(zheng)補(bu)償(chang)網(wang)絡(luo)，使(shi)TEC溫度的建立時間最短。

 

激(ji)進(jin)補(bu)償(chang)器(qi)會(hui)對(dui)熱(re)擾(rao)動(dong)快(kuai)速(su)作(zuo)出(chu)反(fan)應(ying)，但(dan)也(ye)很(hen)容(rong)易(yi)變(bian)得(de)不(bu)穩(wen)定(ding)，而(er)保(bao)守(shou)補(bu)償(chang)器(qi)建(jian)立(li)得(de)較(jiao)慢(man)
，但(dan)能(neng)耐(nai)受(shou)熱(re)擾(rao)動(dong)，發(fa)生(sheng)過(guo)衝(chong)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)更(geng)小(xiao)。係(xi)統(tong)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)之(zhi)間(jian)必(bi)須(xu)達(da)到(dao)平(ping)衡(heng)。

 

圖8.使用ADN8834內部兩個斬波放大器的熱反饋環路圖

 

 

有時候
，即便PID補償器設計得當，穩態誤差仍會存在。下麵是可能引起該誤差的幾個因素。

 

TEC熱功率預算：設計該係統時
，TEC和電源電壓是最先選定的事情。然而
，由於熱負荷不容易估計，選擇可能不正確。某些情況下，若將最大功率應用於TEC但仍不能達到目標溫度
，可能意味著熱功率預算不足以處理熱負荷。提高電源電壓或挑選具有更高功率額定值的TEC可解決這個問題。

 

基準電壓源一致性：基準電壓源會隨溫度和時間而漂移
，對於閉合熱環路，這通常不是問題。但是，尤其是在數字控製係統中，TEC控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)源(yuan)可(ke)能(neng)有(you)不(bu)同(tong)的(de)漂(piao)移(yi)，引(yin)起(qi)補(bu)償(chang)器(qi)不(bu)會(hui)察(cha)覺(jiao)的(de)誤(wu)差(cha)。建(jian)議(yi)這(zhe)兩(liang)個(ge)電(dian)路(lu)采(cai)用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)基(ji)準(zhun)源(yuan)，用(yong)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)驅(qu)動(dong)能(neng)力(li)的(de)電(dian)壓(ya)覆(fu)蓋(gai)另(ling)一(yi)電(dian)壓(ya)。

 

溫度檢測：weishiwenduwuchazuixiao，jingquejiancefuzaiwendufeichangzhongyao。renhelaizifankuidewuchadouhuijinruxitong，buchangqitongyangbunengjiuzhengzhezhongwucha。shiyonggaojingduremindianzuheziwenlingfangdaqikebimianwucha。remindianzudebuzhiyehenzhongyao。quebaojiangtaanzhuangdaojiguangqishang，yibiannenggouduquwomenyaokongzhideshijiwendu。

 

 

TEC控製器的大部分功耗是由驅動器級消耗的。在ADN8833/ADN8834中，線性驅動器的功耗可根據輸入至輸出壓降和負載電流直接得出。開關模式驅動器的損耗較為複雜
，大致可分解為三部分：傳導損耗
、開關損耗和轉換損耗。傳導損耗與FET的RDSON和(he)濾(lv)波(bo)電(dian)感(gan)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)阻(zu)成(cheng)比(bi)例(li)。選(xuan)擇(ze)低(di)電(dian)阻(zu)元(yuan)件(jian)可(ke)降(jiang)低(di)傳(chuan)導(dao)損(sun)耗(hao)。開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)和(he)轉(zhuan)換(huan)損(sun)耗(hao)高(gao)度(du)依(yi)賴(lai)於(yu)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)。頻(pin)率(lv)越(yue)高(gao)，損(sun)耗(hao)越(yue)高(gao)，但(dan)無(wu)源(yuan)元(yuan)件(jian)尺(chi)寸(cun)可(ke)減(jian)小(xiao)。為(wei)實(shi)現(xian)最(zui)優(you)設(she)計(ji)，必(bi)須(xu)仔(zai)細(xi)權(quan)衡(heng)效(xiao)率(lv)與(yu)空(kong)間(jian)。

 

 

ADN8833/ADN8834中的開關模式驅動器以2 MHz頻率切換
，快速PWM開關時鍾沿包含很寬的頻譜
，會在TEC端產生電壓紋波
，並且在整個係統中產生噪聲。增加適當的去耦和紋波抑製電容可降低噪聲和紋波。

 

對於開關模式電源常用的降壓拓撲
，電源電壓軌上的紋波主要由PWM FET斬波的斷續電流所引起。並聯使用多個SMT陶瓷電容可降低ESR(等效串聯電阻)並(bing)在(zai)局(ju)部(bu)給(gei)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)去(qu)耦(ou)。在(zai)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)驅(qu)動(dong)器(qi)輸(shu)出(chu)節(jie)點(dian)

，電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)由(you)濾(lv)波(bo)電(dian)感(gan)的(de)電(dian)流(liu)紋(wen)波(bo)引(yin)起(qi)。為(wei)抑(yi)製(zhi)此(ci)紋(wen)波(bo)
，應(ying)在(zai)驅(qu)動(dong)器(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)到(dao)地(di)之(zhi)間(jian)並(bing)聯(lian)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)SMT陶瓷電容。紋波電壓主要由電容ESR與電感紋波電流的乘積決定：ΔV_TEC = ESR × ΔI_L並聯使用多個電容可有效降低等效ESR。

 

 

設計電信係統中激光二極管的TEC控製器係統是一項很複雜的工作。除了熱精度方麵的挑戰之外，封裝尺寸通常非常小，功耗容差也很低。一般而言
，設計精良的TEC控製器應具備如下優點：精準溫度調節、高效率、板尺寸很小、低噪聲
、電流和電壓監控與保護。