激光二極管在光纖通信系統(tǒng)中用作發(fā)送信號(hào)的發(fā)射器激光器和用于摻鉺光纖放大器 （EDFA） 和半導(dǎo)體光放大器 （SOA） 的泵浦激光器。在這些應(yīng)用中，激光器的特性，包括波長(zhǎng)、平均光功率、效率和消光比必須保持穩(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(zhǎng)就會(huì)改變，轉(zhuǎn)換效率就會(huì)降低。所需的溫度穩(wěn)定性范圍為 ±0.001°C 至 ±0.5°C，因應(yīng)用而異。

溫度控制需要由熱敏電阻、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(fù)比例或正比例，取決于熱敏電阻的類型），因此當(dāng)配置為分壓器時(shí)，可用于將溫度轉(zhuǎn)換為電壓。TEC控制器將此反饋電壓與代表目標(biāo)溫度的參考電壓進(jìn)行比較，然后通過控制流過TEC的電流來調(diào)整TEC必須傳遞的熱量。

上述系統(tǒng)的總體示意圖如圖1所示。半導(dǎo)體激光管、TEC 和熱敏電阻位于激光模塊內(nèi)。TEC控制器ADN8833或ADN8834將讀取來自熱敏電阻的反饋電壓，并向TEC提供驅(qū)動(dòng)電壓。微控制器用于監(jiān)視和控制熱回路。請(qǐng)注意，熱回路也可以在模擬電路中構(gòu)建。ADN8834內(nèi)置兩個(gè)零漂移斬波放大器，可用作PID補(bǔ)償器。

圖1.激光模塊溫度控制系統(tǒng)。

本文將介紹電信系統(tǒng)中激光二極管熱控制系統(tǒng)的組成，并介紹主要組件的關(guān)鍵規(guī)格。目的是從系統(tǒng)級(jí)的角度介紹設(shè)計(jì)考慮因素，為設(shè)計(jì)人員提供如何構(gòu)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。

TEC：熱電冷卻技術(shù)

熱電冷卻器由兩個(gè)表面陶瓷板和交替放置的P型和N型半導(dǎo)體陣列組成，如圖2所示。

圖2.帶散熱器的TEC模塊。

當(dāng)電流流過這些導(dǎo)體時(shí)，熱量將在一端被吸收并在另一端釋放，當(dāng)電流方向相反時(shí)，傳熱也會(huì)反轉(zhuǎn)。這個(gè)過程稱為珀?duì)柼?yīng)。N型半導(dǎo)體中的載流子是電子，因此，其載流子和熱量從陽(yáng)極流向陰極。對(duì)面的N型半導(dǎo)體有空穴載流子，熱量也向相反方向流動(dòng)。

取一對(duì)P-N半導(dǎo)體對(duì)，并用金屬板將一個(gè)連接到另一個(gè)，如圖3所示，隨著電流流過，熱量將沿一個(gè)方向傳遞。

圖3.珀?duì)柼?yīng)：P-N半導(dǎo)體對(duì)的熱流。

通過改變直流電壓的極性，傳熱方向是可逆的，傳遞量與電壓幅值成正比。憑借其簡(jiǎn)單性和堅(jiān)固性，熱電冷卻被應(yīng)用于電信系統(tǒng)中的各種熱調(diào)節(jié)應(yīng)用。

選擇 TEC 模塊

在選擇TEC模塊時(shí)，系統(tǒng)中需要考慮許多因素，例如環(huán)境溫度，目標(biāo)對(duì)象溫度，熱負(fù)載，電源電壓以及模塊的物理特性。必須仔細(xì)估計(jì)熱負(fù)荷，以確保所選的TEC模塊具有足夠的容量來泵送來自系統(tǒng)的熱量以維持目標(biāo)溫度。TEC模塊制造商通常在數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供兩條性能曲線。其中一條性能曲線顯示了不同溫差 （ΔT） 下相對(duì)于電源電壓的傳熱能力，另一條顯示了不同電源電壓和 ΔT 組合下所需的冷卻/加熱電流。設(shè)計(jì)人員可以估計(jì)模塊的功率容量，并確定它是否足以滿足特定應(yīng)用的需求。

TEC控制器操作和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了用TEC補(bǔ)償溫度，TEC控制器應(yīng)該能夠根據(jù)反饋誤差產(chǎn)生可逆差分電壓，同時(shí)提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏飨拗啤DN8834的簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖如圖4所示。主要功能模塊包括溫度檢測(cè)電路、誤差放大器和補(bǔ)償器、TEC電壓/電流檢測(cè)和限制電路以及差分電壓驅(qū)動(dòng)器。

圖4.單芯片TEC控制器ADN8834的框圖。

差分電壓驅(qū)動(dòng)器

TEC控制器輸出差分電壓，以便通過TEC的電流方向可以將熱量從連接到TEC的物體上抽走，或者平滑地過渡到相反的極性來加熱物體。電壓驅(qū)動(dòng)器可以是線性模式、開關(guān)模式或混合電橋。線性模式驅(qū)動(dòng)器更簡(jiǎn)單、更小，但效率較差。另一方面，開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器具有良好的效率（高達(dá)90%以上），但在輸出端需要額外的濾波電感和電容。ADN8833和ADN8834采用混合配置，具有一個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器，將龐大的濾波元件數(shù)量減少了一半，同時(shí)保持了高效率性能。

電壓驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)對(duì)控制器至關(guān)重要，因?yàn)樗加昧舜蟛糠止暮碗娐钒蹇臻g。最佳的驅(qū)動(dòng)器級(jí)有助于最大限度地降低功率損耗、電路尺寸、散熱器需求和成本。

使用NTC熱敏電阻進(jìn)行溫度檢測(cè)

圖5顯示了負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的阻抗。由于其溫度依賴性，當(dāng)作為分壓器連接時(shí)，它可用于將溫度轉(zhuǎn)換為電壓。典型連接如圖6所示，VFB隨RTH隨溫度變化而變化。通過將Rx與熱敏電阻串聯(lián)，溫度-電壓傳遞函數(shù)可以相對(duì)于V進(jìn)行線性化裁判如圖 7 所示。重要的是，它與模塊外殼內(nèi)部的激光器緊密耦合，與外部溫度干擾隔離，以便它可以準(zhǔn)確地感應(yīng)溫度。

圖5.NTC隨溫度變化的阻抗曲線。

圖6.NTC熱敏電阻作為分壓器連接以讀取溫度

圖7.VFB 隨溫度變化。

誤差放大器和補(bǔ)償器

模擬熱反饋環(huán)路有兩個(gè)由兩個(gè)放大器組成的級(jí)，如圖8所示。第一個(gè)放大器獲取熱反饋電壓（VFB），并將輸入轉(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)為線性電壓輸出。該電壓代表物體溫度，并饋入補(bǔ)償放大器，在那里與溫度設(shè)定點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生與差值成比例的誤差電壓。第二個(gè)放大器通常用于構(gòu)建PID補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器由一個(gè)極低頻極點(diǎn)、兩個(gè)高頻的獨(dú)立零點(diǎn)和兩個(gè)高頻極點(diǎn)組成，如圖8所示。

圖8.使用ADN8834內(nèi)部?jī)蓚€(gè)斬波放大器的熱反饋環(huán)路示意圖。

PID補(bǔ)償器可以通過數(shù)學(xué)或經(jīng)驗(yàn)來確定。為了在數(shù)學(xué)上對(duì)熱回路進(jìn)行建模，需要 TEC、半導(dǎo)體激光管、連接器和散熱器的精確熱時(shí)間常數(shù)，而這些常數(shù)并不容易獲得。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整補(bǔ)償器更為常見。通過對(duì)溫度設(shè)定點(diǎn)端子置位階躍函數(shù)并改變目標(biāo)溫度，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以最小化TEC溫度的建立時(shí)間。

激進(jìn)補(bǔ)償器對(duì)熱擾動(dòng)反應(yīng)迅速，但也容易變得不穩(wěn)定，而保守補(bǔ)償器穩(wěn)定緩慢，但可以容忍熱擾動(dòng)，過沖的可能性較小。在系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間之間取得平衡非常重要。

TEC控制器系統(tǒng)的主要性能

溫度調(diào)節(jié)精度

有時(shí)，即使PID補(bǔ)償器設(shè)計(jì)正確，穩(wěn)態(tài)誤差仍然存在。有幾個(gè)因素可能導(dǎo)致此錯(cuò)誤。

TEC熱功率預(yù)算：TEC和電源電壓是設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)首先選擇的兩個(gè)因素。但是，由于熱負(fù)荷不容易估計(jì)，因此選擇可能不正確。在某些情況下，當(dāng)最大電力已施加到TEC并且仍然無(wú)法滿足目標(biāo)溫度時(shí)，這可能意味著熱功率預(yù)算不足以處理熱負(fù)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。

基準(zhǔn)電壓源一致性：基準(zhǔn)電壓源會(huì)隨溫度和時(shí)間漂移，如果熱環(huán)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基準(zhǔn)電壓源可能會(huì)以不同的方式漂移，從而導(dǎo)致補(bǔ)償器看不到的錯(cuò)誤。建議對(duì)兩個(gè)電路使用相同的基準(zhǔn)電壓源，使用具有更高驅(qū)動(dòng)能力的電壓源來覆蓋另一個(gè)電路。

溫度檢測(cè)：精確檢測(cè)負(fù)載溫度對(duì)于最小化溫度誤差至關(guān)重要。來自反饋的任何錯(cuò)誤都將被引入系統(tǒng)，并且補(bǔ)償器無(wú)法再次糾正。使用高精度熱敏電阻和自穩(wěn)零放大器以避免誤差。熱敏電阻的位置也很重要。確保它連接到激光器上，以便它可以讀取我們正在控制的實(shí)際溫度。

效率

驅(qū)動(dòng)器級(jí)消耗TEC控制器中的大部分功率損耗。在ADN8833/ADN8834中，線性驅(qū)動(dòng)器的功耗很容易根據(jù)其輸入至輸出電壓降和負(fù)載電流得出。開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器損耗更為復(fù)雜，大致可分為導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和轉(zhuǎn)換損耗。傳導(dǎo)損耗與 RDS 成正比上FET和濾波電感的直流電阻。可以通過選擇低電阻元件來減少它。開關(guān)損耗和轉(zhuǎn)換損耗在很大程度上取決于開關(guān)頻率。頻率越高，損耗越高，但無(wú)源元件尺寸可以減小。為了實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，必須仔細(xì)考慮效率和空間之間的權(quán)衡。

噪聲和紋波

ADN8833/ADN8834中的開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器開關(guān)頻率為2 MHz，快速PWM開關(guān)時(shí)鐘邊沿包含寬頻譜，在TEC端子上產(chǎn)生電壓紋波，并在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。通過添加適當(dāng)?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，紋波主要是由通常用于開關(guān)模式電源的降壓拓?fù)渲械腜WM FET斬波的不連續(xù)電流引起的。并聯(lián)使用多個(gè) SMT 陶瓷電容器來降低 ESR（等效串聯(lián)電阻）并局部去耦電源電壓。在開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器輸出節(jié)點(diǎn)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(qū)動(dòng)器輸出端并聯(lián)放置多個(gè)SMT陶瓷電容。由于紋波電壓主要由電容器ESR和電感紋波電流的乘積決定：Δ V_TEC = ESR×Δ I_L。 并聯(lián)使用多個(gè)電容可以有效降低等效ESR。

結(jié)論

為電信系統(tǒng)中的激光二極管設(shè)計(jì)TEC控制器系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)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，設(shè)計(jì)良好的TEC控制器應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

精確的溫度調(diào)節(jié)

高效率

電路板尺寸小

低噪音

電流和電壓監(jiān)控和保護(hù)

審核編輯：郭婷