TEC 控制器在電信系統(tǒng)中的應用指南

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

激光二極管在光纖通信系統(tǒng)中用作發(fā)送信號的發(fā)射激光器、用于摻鉺光纖放大器 (EDFA) 和半導體光放大器 (SOA) 的泵浦激光器。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，波長就會改變，轉換效率就會下降。所需的溫度穩(wěn)定性范圍為 ±0.001°C 至 ±0.5°C，因應用而異。??

溫度控制需要一個由熱敏電阻、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（負比例或正比例，取決于熱敏電阻的類型），當配置為分壓器時，它可用于將溫度轉換為電壓。TEC 控制器會將這個反饋電壓與代表目標溫度的參考電壓進行比較，然后通過控制流過它的電流來調整 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 提供驅動電壓。微控制器用于監(jiān)視和控制熱回路。請注意，熱回路也可以在模擬電路中構建。ADN8834 具有兩個內置的零漂移斬波放大器，可用作 PID 補償器。??

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鍵規(guī)格。目的是從系統(tǒng)級的角度介紹設計考慮，為設計人員提供如何構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 TEC 由兩個表面陶瓷板和其間交替放置的 P 型和 N 型半導體陣列組成，?如圖 2 所示。當電流流過這些半導體時，熱量會在一端被吸收，在另一端釋放，當電流方向反轉時，熱傳遞也會反轉。這個過程稱為珀爾帖效應。N型半導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。對面的 P 型半導體具有空穴載流子，熱量也沿相反方向流動。取一對 PN 半導體并用金屬板將它們連接起來，?如圖 3 所示，當電流流過時，熱量將沿一個方向傳遞。??

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。憑借其簡單性和穩(wěn)健性，熱電冷卻被應用于電信系統(tǒng)中的各種熱調節(jié)應用。

圖 2：帶散熱器的 TEC 模塊。

圖 3：珀爾帖效應：PN 半導體對的熱流。 ? ?

選擇 TEC 模塊 選擇 TEC 模塊時需要考慮系統(tǒng)中的許多因素，例如環(huán)境溫度、目標對象溫度、熱負載、電源電壓和模塊的物理特性。必須仔細估算熱負荷，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。設計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用的需求。??

TEC控制器操作和系統(tǒng)設計

為了使用 TEC 補償溫度，TEC 控制器應該能夠根據(jù)反饋誤差產(chǎn)生一個可逆的差分電壓，同時提供適當?shù)碾妷汉碗娏飨拗?。ADN8834的簡化系統(tǒng)框圖?如圖4所示。主要功能塊包括溫度檢測電路、誤差放大器和補償器、TEC 電壓/電流檢測和限制電路以及差分電壓驅動器。

圖 4：單片 TEC 控制器 ADN8834 的框圖。 ? ?

差分電壓驅動器 TEC 控制器輸出一個差分電壓，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。電壓驅動器可以是線性模式、開關模式或這兩種驅動器的混合橋。線性模式驅動器更簡單、更小，但效率低下。另一方面，開關模式驅動器具有良好的效率——高達 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，配備一個線性模式驅動器和一個開關模式驅動器，將笨重的濾波組件數(shù)量減少一半，同時保持高效性能。 ??

電壓驅動器設計對控制器至關重要，因為它占據(jù)了大部分功耗和電路板空間。一個最佳的驅動器級可以幫助最小化功率損耗、電路尺寸、對散熱器的需求以及成本。??

使用 NTC 熱敏電阻進行溫度檢測圖 5 ?顯示了負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻隨溫度變化的阻抗。由于其溫度依賴性，當作為分壓器連接時，它可用于將溫度轉換為電壓。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)可以相對于 VREF 線性化，?如圖 7 所示。重要的是它與模塊外殼內部的激光器緊密耦合，與外部溫度干擾隔離，因此它可以準確地感應溫度。

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。 ? ?

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

PID 補償器可以通過數(shù)學或經(jīng)驗來確定。要對熱回路進行數(shù)學建模，需要 TEC、激光二極管、連接器和散熱器的精確熱時間常數(shù)，而這并不容易獲得。憑經(jīng)驗調整補償器更為常見。通過在溫度設定點終端中聲明一個階躍函數(shù)并改變目標溫度，設計人員可以調整補償網(wǎng)絡以最小化 TEC 溫度的穩(wěn)定時間。?

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

圖 8：使用 ADN8834 內部的兩個斬波放大器的熱反饋回路圖。 ?

TEC控制器系統(tǒng)的關鍵性能

溫度調節(jié)精度 有時穩(wěn)態(tài)誤差仍然存在，即使 PID 補償器設計得當。有幾件事可能會導致此錯誤：?

TEC 熱功率預算：TEC 和電源電壓是設計系統(tǒng)時首先選擇的兩個因素。但是，由于熱負荷不易估算，因此選擇可能不正確。在某些情況下，當 TEC 已施加最大電功率但仍無法滿足目標溫度時，這可能意味著熱功率預算不足以處理熱負荷。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：參考電壓會隨著溫度和時間而漂移，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發(fā)生不同的漂移，從而導致補償器看不到的誤差。建議兩個電路使用相同的參考電壓，使用驅動能力較高的電壓覆蓋另一個。

溫度傳感：精確傳感負載溫度對于最大限度地減少溫度誤差至關重要。來自反饋的任何錯誤都將被引入系統(tǒng)，并且無法由補償器糾正。使用高精度熱敏電阻和自動調零放大器來避免錯誤。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際溫度。

效率 驅動級消耗 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載電流，線性驅動器的功耗很容易計算。開關模式驅動器的損耗比較復雜，大致可以細分為導通損耗、開關損耗和過渡損耗。傳導損耗與 R ds(on)?成正比場效應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。開關損耗和過渡損耗很大程度上取決于開關頻率。頻率越高，損耗越大，但可以減小無源元件的尺寸。為了實現(xiàn)最佳設計，必須仔細考慮效率和空間之間的權衡。??

噪聲和紋波 ADN8833/34 中的開關模式驅動器開關頻率為 2 MHz，快速 PWM 開關時鐘沿包含寬頻譜，在 TEC 端子處產(chǎn)生電壓紋波，并在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。通過添加適當?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，紋波主要由開關模式電源常用的降壓拓撲中的 PWM FET 斬波的不連續(xù)電流引起。并聯(lián)使用多個 SMT 陶瓷電容器以降低 ESR 并局部去耦電源電壓。在開關模式驅動器輸出節(jié)點上，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，在驅動器的輸出到地之間并聯(lián)多個 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)中的激光二極管設計 TEC 控制器系統(tǒng)是一項復雜的工作。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，一個設計良好的TEC控制器應具備以下優(yōu)點：?

精確的溫度調節(jié)

高效率

小板尺寸

低噪聲

電流電壓監(jiān)測與保護

審核編輯 黃昊宇
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