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)，將(jiang)該(gai)輸(shu)入(ru)轉(zhuan)換(huan)或(huo)調(tiao)節(jie)為(wei)線(xian)性(xing)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)。此(ci)電(dian)壓(ya)代(dai)表(biao)對(dui)象(xiang)溫(wen)度(du)，饋(kui)入(ru)補(bu)償(chang)放(fang)大(da)器(qi)中(zhong)，與(yu)溫(wen)度(du)設(she)定(ding)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)，產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)與(yu)二(er)者(zhe)之(zhi)差(cha)成(cheng)比(bi)例(li)的(de)誤(wu)差(cha)電(dian)壓(ya)。第(di)二(er)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)通(tong)常(chang)用(yong)來(lai)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)PID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shiTEC溫度的建立時間最短。

 

jijinbuchangqihuiduireraodongkuaisuzuochufanying

，danyehenrongyibiandebuwending，erbaoshoubuchangqijianlidejiaoman
，dannengnaishoureraodong
，fashengguochongdekenengxinggengxiao。xitongwendingxinghexiangyingshijianzhijianbixudadaopingheng。

 

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：為wei使shi溫wen度du誤wu差cha最zui小xiao，精jing確que檢jian測ce負fu載zai溫wen度du非fei常chang重zhong要yao。任ren何he來lai自zi反fan饋kui的de誤wu差cha都dou會hui進jin入ru係xi統tong，補bu償chang器qi同tong樣yang不bu能neng糾jiu正zheng這zhe種zhong誤wu差cha。使shi用yong高gao精jing度du熱re敏min電dian阻zu和he自zi穩wen零ling放fang大da器qi可ke避bi免mian誤wu差cha。熱re敏min電dian阻zu的de布bu置zhi也ye很hen重zhong要yao。確que保bao將jiang它ta安an裝zhuang到dao激ji光guang器qi上shang，以yi便bian能neng夠gou讀du取qu我wo們men要yao控kong製zhi的de實shi際ji溫wen度du。

 

 

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。