TEC控制器在电信系统中的应用

激光二极管在光纤通信系统中用作发送信号的发射器激光器和用于掺铒光纤放大器 （EDFA） 和半导体光放大器 （SOA） 的泵浦激光器。在这些应用中，激光器的特性，包括波长、平均光功率、效率和消光比必须保持稳定，以确保电信系统的整体性能。然而，这些特性取决于激光器的温度：只要温度漂移，波长就会改变，转换效率就会降低。所需的温度稳定性范围为 ±0.001°C 至 ±0.5°C，因应用而异。

温度控制需要由热敏电阻、热电冷却器（TEC）和TEC控制器组成的回路。由于热敏电阻的电阻随温度成比例变化（负比例或正比例，取决于热敏电阻的类型），因此当配置为分压器时，可用于将温度转换为电压。TEC控制器将此反馈电压与代表目标温度的参考电压进行比较，然后通过控制流过TEC的电流来调整TEC必须传递的热量。

上述系统的总体示意图如图1所示。半导体激光管、TEC 和热敏电阻位于激光模块内。TEC控制器ADN8833或ADN8834将读取来自热敏电阻的反馈电压，并向TEC提供驱动电压。微控制器用于监视和控制热回路。请注意，热回路也可以在模拟电路中构建。ADN8834内置两个零漂移斩波放大器，可用作PID补偿器。

图1.激光模块温度控制系统。

本文将介绍电信系统中激光二极管热控制系统的组成，并介绍主要组件的关键规格。目的是从系统级的角度介绍设计考虑因素，为设计人员提供如何构建具有良好温度控制精度、低损耗和小尺寸的高性能系统的总体指南。

TEC：热电冷却技术

热电冷却器由两个表面陶瓷板和交替放置的P型和N型半导体阵列组成，如图2所示。

图2.带散热器的TEC模块。

当电流流过这些导体时，热量将在一端被吸收并在另一端释放，当电流方向相反时，传热也会反转。这个过程称为珀尔帖效应。N型半导体中的载流子是电子，因此，其载流子和热量从阳极流向阴极。对面的N型半导体有空穴载流子，热量也向相反方向流动。

取一对P-N半导体对，并用金属板将一个连接到另一个，如图3所示，随着电流流过，热量将沿一个方向传递。

图3.珀尔帖效应：P-N半导体对的热流。

通过改变直流电压的极性，传热方向是可逆的，传递量与电压幅值成正比。凭借其简单性和坚固性，热电冷却被应用于电信系统中的各种热调节应用。

选择 TEC 模块

在选择TEC模块时，系统中需要考虑许多因素，例如环境温度，目标对象温度，热负载，电源电压以及模块的物理特性。必须仔细估计热负荷，以确保所选的TEC模块具有足够的容量来泵送来自系统的热量以维持目标温度。TEC模块制造商通常在数据手册中提供两条性能曲线。其中一条性能曲线显示了不同温差 （ΔT） 下相对于电源电压的传热能力，另一条显示了不同电源电压和 ΔT 组合下所需的冷却/加热电流。设计人员可以估计模块的功率容量，并确定它是否足以满足特定应用的需求。

TEC控制器操作和系统设计

为了用TEC补偿温度，TEC控制器应该能够根据反馈误差产生可逆差分电压，同时提供适当的电压和电流限制。ADN8834的简化系统框图如图4所示。主要功能模块包括温度检测电路、误差放大器和补偿器、TEC电压/电流检测和限制电路以及差分电压驱动器。

图4.单芯片TEC控制器ADN8834的框图。

差分电压驱动器

TEC控制器输出差分电压，以便通过TEC的电流方向可以将热量从连接到TEC的物体上抽走，或者平滑地过渡到相反的极性来加热物体。电压驱动器可以是线性模式、开关模式或混合电桥。线性模式驱动器更简单、更小，但效率较差。另一方面，开关模式驱动器具有良好的效率（高达90%以上），但在输出端需要额外的滤波电感和电容。ADN8833和ADN8834采用混合配置，具有一个线性驱动器和一个开关模式驱动器，将庞大的滤波元件数量减少了一半，同时保持了高效率性能。

电压驱动器设计对控制器至关重要，因为它占用了大部分功耗和电路板空间。最佳的驱动器级有助于最大限度地降低功率损耗、电路尺寸、散热器需求和成本。

使用NTC热敏电阻进行温度检测

图5显示了负温度系数（NTC）热敏电阻在整个温度范围内的阻抗。由于其温度依赖性，当作为分压器连接时，它可用于将温度转换为电压。典型连接如图6所示，VFB随RTH随温度变化而变化。通过将Rx与热敏电阻串联，温度-电压传递函数可以相对于V进行线性化裁判如图 7 所示。重要的是，它与模块外壳内部的激光器紧密耦合，与外部温度干扰隔离，以便它可以准确地感应温度。

图5.NTC随温度变化的阻抗曲线。

图6.NTC热敏电阻作为分压器连接以读取温度

图7.VFB 随温度变化。

误差放大器和补偿器

模拟热反馈环路有两个由两个放大器组成的级，如图8所示。第一个放大器获取热反馈电压（VFB），并将输入转换或调节为线性电压输出。该电压代表物体温度，并馈入补偿放大器，在那里与温度设定点电压进行比较，产生与差值成比例的误差电压。第二个放大器通常用于构建PID补偿器，该补偿器由一个极低频极点、两个高频的独立零点和两个高频极点组成，如图8所示。

图8.使用ADN8834内部两个斩波放大器的热反馈环路示意图。

PID补偿器可以通过数学或经验来确定。为了在数学上对热回路进行建模，需要 TEC、半导体激光管、连接器和散热器的精确热时间常数，而这些常数并不容易获得。根据经验调整补偿器更为常见。通过对温度设定点端子置位阶跃函数并改变目标温度，设计人员可以调整补偿网络，以最小化TEC温度的建立时间。

激进补偿器对热扰动反应迅速，但也容易变得不稳定，而保守补偿器稳定缓慢，但可以容忍热扰动，过冲的可能性较小。在系统稳定性和响应时间之间取得平衡非常重要。

TEC控制器系统的主要性能

温度调节精度

有时，即使PID补偿器设计正确，稳态误差仍然存在。有几个因素可能导致此错误。

TEC热功率预算：TEC和电源电压是设计系统时首先选择的两个因素。但是，由于热负荷不容易估计，因此选择可能不正确。在某些情况下，当最大电力已施加到TEC并且仍然无法满足目标温度时，这可能意味着热功率预算不足以处理热负荷。增加电源电压或选择具有更高额定功率的TEC可以解决此问题。

基准电压源一致性：基准电压源会随温度和时间漂移，如果热环闭合，这通常不是问题。然而，特别是在数字控制系统中，TEC控制器和微控制器的基准电压源可能会以不同的方式漂移，从而导致补偿器看不到的错误。建议对两个电路使用相同的基准电压源，使用具有更高驱动能力的电压源来覆盖另一个电路。

温度检测：精确检测负载温度对于最小化温度误差至关重要。来自反馈的任何错误都将被引入系统，并且补偿器无法再次纠正。使用高精度热敏电阻和自稳零放大器以避免误差。热敏电阻的位置也很重要。确保它连接到激光器上，以便它可以读取我们正在控制的实际温度。

效率

驱动器级消耗TEC控制器中的大部分功率损耗。在ADN8833/ADN8834中，线性驱动器的功耗很容易根据其输入至输出电压降和负载电流得出。开关模式驱动器损耗更为复杂，大致可分为导通损耗、开关损耗和转换损耗。传导损耗与 RDS 成正比上FET和滤波电感的直流电阻。可以通过选择低电阻元件来减少它。开关损耗和转换损耗在很大程度上取决于开关频率。频率越高，损耗越高，但无源元件尺寸可以减小。为了实现最佳设计，必须仔细考虑效率和空间之间的权衡。

噪声和纹波

ADN8833/ADN8834中的开关模式驱动器开关频率为2 MHz，快速PWM开关时钟边沿包含宽频谱，在TEC端子上产生电压纹波，并在整个系统中产生噪声。通过添加适当的去耦和纹波抑制电容器，可以降低噪声和纹波。

在电源电压轨上，纹波主要是由通常用于开关模式电源的降压拓扑中的PWM FET斩波的不连续电流引起的。并联使用多个 SMT 陶瓷电容器来降低 ESR（等效串联电阻）并局部去耦电源电压。在开关模式驱动器输出节点上，电压纹波是由滤波电感的电流纹波引起的。为了抑制这种纹波，在驱动器输出端并联放置多个SMT陶瓷电容。由于纹波电压主要由电容器ESR和电感纹波电流的乘积决定：Δ V_TEC = ESR×Δ I_L。 并联使用多个电容可以有效降低等效ESR。

结论

为电信系统中的激光二极管设计TEC控制器系统是一项复杂的工作。除了热精度方面的挑战外，封装尺寸通常非常小，功耗容差也很低。一般来说，设计良好的TEC控制器应具有以下优点：

精确的温度调节

高效率

电路板尺寸小

低噪音

电流和电压监控和保护

审核编辑：郭婷