系統溫度精準控制“指南”

在光纖電信系統中，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)和半導體光放大器(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系統的整體性能良好。然而，這些特性取決于激光器的溫度：只要溫度發生漂移，波長就會改變，轉換效率將會降低。要求的溫度穩定性介于±0.001°C至±0.5°C，具體數值視應用而定。

為了控制溫度，需要一個由熱敏電阻、熱電冷卻器(TEC)和TEC控制器組成的環路。熱敏電阻的阻值與溫度成比例變化(反比或正比，取決于熱敏電阻類型)，當配置為分壓器時，可利用它來將溫度轉換為電壓。TEC控制器將該反饋電壓與代表目標溫度的基準電壓進行比較，然后控制流經TEC的電流，從而調整TEC傳輸的熱量。

圖1. 激光模塊的溫度控制系統

上述系統的一般框圖如圖1所示。激光二極管、TEC和熱敏電阻位于激光模塊內部。TEC控制器ADN8833或ADN8834讀取熱敏電阻的反饋電壓，并向TEC提供驅動電壓。使用微控制器監測和控制熱環路。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。

本文將說明電信系統中激光二極管熱控制系統的組成，并介紹主要器件的關健規格。本文的目的是從系統角度闡述各項設計考慮，為設計人員構建一個具有良好溫度控制精度、低損耗、小尺寸的高性能系統提供全局性指南。

1 TEC：熱電冷卻技術

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

圖2. 帶散熱器的TEC模塊

當電流流經這些導體時，熱量將在一端吸收并在另一端釋放；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。對面的N型半導體具有空穴載流子，熱量也沿相反方向流動。

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。

圖3. 珀爾帖效應：P-N半導體對的熱流

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。由于既簡單又魯棒，熱電冷卻被廣泛用于電信系統的熱調理。

2 如何選擇TEC模塊

選擇TEC模塊時，需要考慮系統中的許多因素，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系統泵出以維持目標溫度。

TEC模塊制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范圍內不同溫差(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。

TEC控制器操作和系統設計

為了利用TEC補償溫度，TEC控制器應能根據反饋誤差產生可逆差分電壓，并提供適當的電壓和電流限值。圖4為ADN8834的簡化系統框圖。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控制器ADN8834功能框圖

差分電壓驅動器

TEC控制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制器至關重要，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于最大程度地縮減功率損耗、電路尺寸、散熱器需求和成本。

3 如何利用NTC熱敏電阻檢測溫度

圖5顯示了負溫度系數(NTC)熱敏電阻在溫度范圍內的阻抗。由于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。

圖5. NTC阻抗與溫度的關系曲線

典型連接如圖6所示。當RTH隨溫度而變化時，VFB也會變化。

圖6. NTC熱敏電阻連接為分壓器以將溫度轉換為電壓

增加一個Rx與熱敏電阻串聯，便可相對于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。

圖7. VFB與溫度的關系

4 誤差放大器和比較器

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)，將該輸入轉換或調節為線性電壓輸出。此電壓代表對象溫度，饋入補償放大器中，與溫度設定電壓進行比較，產生一個與二者之差成比例的誤差電壓。第二個放大器通常用來構建一個PID補償器，后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。

圖8. 使用ADN8834內部兩個斬波放大器的熱反饋環路圖

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、連接器和散熱器的精確熱時間常數，這不太容易獲得。利用經驗方法調諧補償器更為常見。通過假定溫度設定端具有某個階躍函數并改變目標溫度，設計人員可以調整補償網絡，使TEC溫度的建立時間最短。

激進補償器會對熱擾動快速作出反應，但也很容易變得不穩定，而保守補償器建立得較慢，但能耐受熱擾動，發生過沖的可能性更小。系統穩定性和響應時間之間必須達到平衡。

5 TEC控制器系統的關鍵性能

TEC控制器系統的關鍵性能

有時候，即便PID補償器設計得當，穩態誤差仍會存在。下面是引起該誤差的幾個因素。

■ TEC熱功率預算：設計該系統時，TEC和電源電壓是最先選定的事情。然而，由于熱負荷不容易估計，選擇可能不正確。某些情況下，若將最大功率應用于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，對于閉合熱環路，這通常不是問題。但是，尤其是在數字控制系統中，TEC控制器和微控制器的基準電壓源可能有不同的漂移，引起補償器不會察覺的誤差。建議這兩個電路采用相同的基準源，用具有較高驅動能力的電壓覆蓋另一電壓。

■ 溫度檢測：為使溫度誤差最小，精確檢測負載溫度非常重要。任何來自反饋的誤差都會進入系統，補償器同樣不能糾正這種誤差。使用高精度熱敏電阻和自穩零放大器可避免誤差。熱敏電阻的布置也很重要。確保將它安裝到激光器上，以便能夠讀取我們要控制的實際溫度。

效率

TEC控制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復雜，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和濾波電感的直流電阻成比例。選擇低電阻元件可降低傳導損耗。開關損耗和轉換損耗高度依賴于開關頻率。頻率越高，損耗越高，但無源元件尺寸可減小。為實現最優設計，必須仔細權衡效率與空間。

噪聲和紋波

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

對于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。并聯使用多個SMT陶瓷電容可降低ESR(等效串聯電阻)并在局部給電源電壓去耦。在開關模式驅動器輸出節點，電壓紋波由濾波電感的電流紋波引起。為抑制此紋波，應在驅動器輸出端到地之間并聯使用多個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并聯使用多個電容可有效降低等效ESR。

6 結 論

設計電信系統中激光二極管的TEC控制器系統是一項很復雜的工作。除了熱精度方面的挑戰之外，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控制器應具備如下優點：

■ 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