設(shè)計(jì)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(hào)源或光放大器中的能量源，它們的運(yùn)行直接影響整個(gè)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(yùn)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(fù)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(gè)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(nèi)，以便光纖另一端的光解復(fù)用器可以將每個(gè)激光束與其他激光束區(qū)分開來，而不會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。由于激光束的波長隨激光溫度而變化，因此保持準(zhǔn)確穩(wěn)定的激光溫度是這些DWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)。

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(xué)元件，如濾波器、陣列波導(dǎo)（AWG），對其溫度很敏感。為了穩(wěn)定其光學(xué)參數(shù)，需要對這些組件的溫度進(jìn)行良好的控制。

因此，溫度控制是當(dāng)今光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要而關(guān)鍵的任務(wù)。

TEC – 熱/冷發(fā)電機(jī)

TEC，熱電冷卻器，可以通過使用珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)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(diǎn)：易于控制溫度，體積小，無噪音，無移動(dòng)部件，使用壽命長等。所有這些都對電信組件很重要和關(guān)鍵。

TEC有兩面，當(dāng)向TEC施加直流電壓時(shí)，導(dǎo)致直流電流沿一個(gè)方向流動(dòng)，兩邊一面變熱，另一面變冷;反轉(zhuǎn)電壓將反轉(zhuǎn)熱傳遞方向——第一側(cè)現(xiàn)在變冷，第二側(cè)變熱。在實(shí)踐中，制造商以這樣的方式命名“熱”側(cè)和“冷”側(cè)，當(dāng)電流流入TEC的指定正極端子（另一個(gè)端子被指定為負(fù)極端子）時(shí)，變熱的一側(cè)稱為“熱”側(cè)，而另一側(cè)變冷，稱為“冷”側(cè)。這樣，一面總是被稱為“熱”的一面，即使它有時(shí)被用來產(chǎn)生“冷”。這同樣適用于“冷”的一面。通常，安裝兩個(gè)端子引線的一側(cè)是熱側(cè)，通常安裝在散熱器上，而另一側(cè)，即冷側(cè)，通常用于安裝需要控制其溫度的目標(biāo)。

產(chǎn)生冷時(shí)，當(dāng)電流流入正極端子時(shí)，TEC 將熱量從冷側(cè)移動(dòng)到熱側(cè)。電流越高，移動(dòng)的熱量就越大。在此過程中，兩側(cè)都會(huì)產(chǎn)生熱量。當(dāng)電流增加到一定水平時(shí)，冷側(cè)電流產(chǎn)生的熱量等于熱量從冷側(cè)移開，冷側(cè)溫度停止下降，即TEC的熱輸出功率變?yōu)榱恪?/p>

TEC的兩個(gè)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(cè)和冷側(cè)，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(dāng)TEC的電流小于最大值時(shí)，電流越大，它輸出到熱負(fù)載的熱功率就越大。因此，目標(biāo)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(shè)系統(tǒng)中的每個(gè)組件都是理想的，目標(biāo)上的溫度可以保持在0.00001°C以內(nèi)。在光發(fā)射器應(yīng)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(yīng)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(xué)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(gè)元件是溫度傳感器，用于測量安裝在TEC冷側(cè)的目標(biāo)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(zhuǎn)換為電壓，代表測量的目標(biāo)溫度。代表設(shè)定點(diǎn)溫度（即所需目標(biāo)溫度）的外部電壓通過op-am與目標(biāo)溫度電壓進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生誤差電壓。該誤差電壓由高增益放大器放大，補(bǔ)償目標(biāo)和TEC冷側(cè)板的熱質(zhì)量引起的相位滯后，然后驅(qū)動(dòng)H橋輸出。H橋控制TEC電流的大小和方向。當(dāng)目標(biāo)溫度低于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋沿目標(biāo)溫度升高的方向和幅度驅(qū)動(dòng)TEC。當(dāng)目標(biāo)溫度高于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋?qū)⑼ㄟ^降低甚至反轉(zhuǎn)TEC電流來降低目標(biāo)溫度。當(dāng)控制環(huán)路穩(wěn)定時(shí)，TEC電流大小和方向恰到好處，因此目標(biāo)溫度等于設(shè)定點(diǎn)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(diǎn)。對于高絕對精度應(yīng)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(diǎn)。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(yīng)用。

TEC控制器可按輸出級的工作模式分類：線性模式和開關(guān)模式。線性模式TEC控制器的設(shè)計(jì)和制造更簡單，但缺點(diǎn)是功率效率非常低，范圍從20%到40%。TEC控制器的開關(guān)模式H橋具有高功率效率的優(yōu)點(diǎn)，但需要兩個(gè)高功率電感器和低ESR電容來構(gòu)成輸出濾波器。ADI公司制造的ADN8830在H橋中使用一個(gè)線性模式和一個(gè)開關(guān)模式輸出級。這種結(jié)構(gòu)將大功率笨重的濾波元件數(shù)量減少了一半，同時(shí)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(gè)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(chǎn)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(yùn)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(shè)計(jì)高性能TEC控制器

最佳的TEC控制器應(yīng)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(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)，必須充分理解和權(quán)衡所有這些主要參數(shù)。

開關(guān)頻率

選擇開關(guān)模式輸出級是實(shí)現(xiàn)高效率的必要條件。開關(guān)頻率需要正確設(shè)置。將開關(guān)頻率設(shè)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(guān)頻率的增加而降低。圖3顯示了PCB面積如何隨著開關(guān)頻率的增加而減小。然而，較高的開關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)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(guān)頻率的關(guān)系

圖3.系統(tǒng)成本與開關(guān)頻率的關(guān)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(guān)模式TEC控制器，高效率是以一定的成本實(shí)現(xiàn)的。

有幾個(gè)因素決定了效率。這些是限制效率的功率損耗因素：

驅(qū)動(dòng)器斷電。這是在開關(guān)模式輸出級驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的柵極所需的功率。它與開關(guān)頻率成正比，即當(dāng)開關(guān)頻率加倍時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率損耗將加倍?？梢酝ㄟ^降低開關(guān)頻率和/或選擇低輸入電容的開關(guān)穩(wěn)壓器來降低開關(guān)頻率。

電感和開關(guān)MOSFET中的輸出容性負(fù)載損耗，即在開關(guān)模式級輸出端驅(qū)動(dòng)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(guān)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(gè)損耗在低于500kHz的頻率時(shí)較低，但隨著開關(guān)頻率接近1MHz，損耗會(huì)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(guān)在傳導(dǎo)電流時(shí)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(dǎo)交流和直流電流時(shí)產(chǎn)生的直流電阻引起的損耗。使用低DCR的電感會(huì)降低這種損耗，但電感的尺寸會(huì)增大。

圖4.效率與開關(guān)頻率的關(guān)系增加。

與使用完全對稱H橋的開關(guān)輸出架構(gòu)不同，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(guān)模式，以提高輸出效率。線性和開關(guān)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(shí)提高效率。在大信號(hào)運(yùn)行時(shí)，線性模式輸出級將以“開關(guān)模式”運(yùn)行，飽和到其中一個(gè)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(hào)操作中，線性模式輸出級將以線性模式運(yùn)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(shè)計(jì)人員能夠靈活地滿足各種驅(qū)動(dòng)電流要求，同時(shí)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(cuò)器件，則溫度精度僅取決于輸入誤差放大器的失調(diào)。

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(biāo)溫度變化（以°C/°C為單位）。目標(biāo)溫度變化是由環(huán)境溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓漂移引起的。長期穩(wěn)定性定義為目標(biāo)溫度隨時(shí)間的變化（以°C/年為單位）。與上述相同，該目標(biāo)溫度變化源于失調(diào)電壓隨時(shí)間的變化，通常在幾年內(nèi)。

如果單芯片TEC控制器在前端使用失調(diào)電壓為1μV量級的自穩(wěn)零放大器，并且不隨時(shí)間或溫度漂移，則可以實(shí)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(guān)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(huì)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(gè)限值以下，開關(guān)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(huì)隨著開關(guān)頻率的增加而減小。

圖5.電感和電容與開關(guān)頻率的關(guān)系

對于大多數(shù)應(yīng)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(rèn)開關(guān)頻率。 TEC控制器采用非對稱架構(gòu)（即ADN8830）設(shè)計(jì)，可將紋波電流減半。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化——穩(wěn)定性與響應(yīng)速度

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)會(huì)影響響應(yīng)速度和溫度穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)速度，即較短的建立時(shí)間和高溫穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)需要精確匹配熱負(fù)載。然而，這樣做并不是一件容易的事。精確匹配的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為熱控制回路的穩(wěn)定性留下了更少的余量。保守補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致更長的建立時(shí)間，但可以容忍TEC驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，只需要幾個(gè)電阻器和電容器。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)其熱負(fù)荷特性調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)最佳溫度建立時(shí)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(gè)TEC的多控制器操作。開關(guān)頻率需要同步，但開關(guān)相位需要交錯(cuò)。交錯(cuò)開關(guān)相位可以最大限度地減少施加在電源線上的開關(guān)紋波電壓。

在多控制器操作中，上電過程應(yīng)該是順序的。打開一個(gè)TEC控制器，等待溫度就緒引腳變?yōu)門RUE，表示目標(biāo)溫度等于設(shè)定點(diǎn)溫度。然后打開下一個(gè) TEC。這樣，電源就不會(huì)看到大的電流尖峰。因此，頻率同步和相位交錯(cuò)控制功能肯定會(huì)為此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加價(jià)值。溫度就緒是幾乎所有應(yīng)用的另一個(gè)有用功能。

控制、監(jiān)測和保護(hù)

TEC控制器可以單獨(dú)使用，也可以進(jìn)行廣泛的控制和監(jiān)控?？刂坪捅O(jiān)控秤需要根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行設(shè)置。這些是經(jīng)?？刂频膮?shù)：目標(biāo)溫度、TEC 最大電流、TEC 控制器關(guān)閉等。這些是可以監(jiān)控的參數(shù)：目標(biāo)溫度、TEC 電流、TEC 電壓、溫度就緒指示等。

為了可靠的系統(tǒng)運(yùn)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(guān)重要。限流和限壓功能對于確保系統(tǒng)可靠也很重要。

結(jié)論

控制TEC給設(shè)計(jì)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(shí)，它降低了成本和PCB空間，提高了效率和可靠性，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷