上述系統的一般框圖如圖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讀取熱敏電阻的反饋電壓，并向TEC提供驅動(dòng)電壓。使用微控制器監測和控制熱環(huán)路。注意，熱環(huán)路也可以在模擬電路中構建。ADN8834內置兩個(gè)零漂移斬波放大器，可將其用作PID補償器。

 

本文將說(shuō)明電信系統中激光二極管熱控制系統的組成，并介紹主要器件的關(guān)健規格。本文的目的是從系統角度闡述各項設計考慮，為設計人員構建一個(gè)具有良好溫度控制精度、低損耗、小尺寸的高性能系統提供全局性指南。

 

TEC：熱電冷卻技術(shù)

 

熱電冷卻器包括兩片表面陶瓷板，其間交替放置P型和N型半導體陣列，如圖2所示。
 

圖2. 帶散熱器的TEC模塊

 

當電流流經(jīng)這些導體時(shí)，熱量將在一端吸收并在另一端釋放；當電流方向相反時(shí)，熱傳輸也會(huì )反向。該過(guò)程稱(chēng)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(yáng)極流向陰極。對面的N型半導體具有空穴載流子，熱量也沿相反方向流動(dòng)。

 

取一對P-N半導體對，用金屬板將其連接起來(lái)，如圖3所示；當電流流過(guò)時(shí)，熱量將沿一個(gè)方向傳輸。

 

圖3. 珀爾帖效應：P-N半導體對的熱流

 

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。由于既簡(jiǎn)單又魯棒，熱電冷卻被廣泛用于電信系統的熱調理。

 

如何選擇TEC模塊

 

選擇TEC模塊時(shí)，需要考慮系統中的許多因素，如環(huán)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(lái)將熱量從系統泵出以維持目標溫度。

 

TEC模塊制造商在數據手冊中通常會(huì )提供兩條性能曲線(xiàn)。一條曲線(xiàn)顯示電源電壓范圍內不同溫差(ΔT)下的熱傳輸容量，另一條曲線(xiàn)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(mǎn)足特定應用需要。

 

TEC控制器操作和系統設計

 

為了利用TEC補償溫度，TEC控制器應能根據反饋誤差產(chǎn)生可逆差分電壓，并提供適當的電壓和電流限值。圖4為ADN8834的簡(jiǎn)化系統框圖。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(dòng)器。

 

圖4. 單芯片TEC控制器ADN8834功能框圖
 

差分電壓驅動(dòng)器

 

TEC控制器輸出一個(gè)差分電壓，使得通過(guò)TEC的電流可以帶走連接到TEC的對象的熱量，或者平穩地變?yōu)橄喾礃O性以加熱該對象。電壓驅動(dòng)器可以是線(xiàn)性模式、開(kāi)關(guān)模式或混合電橋。線(xiàn)性模式驅動(dòng)器更簡(jiǎn)單且更小，但效率不佳。開(kāi)關(guān)模式驅動(dòng)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(gè)線(xiàn)性驅動(dòng)器和一個(gè)開(kāi)關(guān)模式驅動(dòng)器，體積較大濾波元件的數量減半，同時(shí)能夠保持高效率性能。

 

電壓驅動(dòng)器設計對控制器至關(guān)重要，因為它占用了大部分功耗和電路板空間。優(yōu)化的驅動(dòng)器級有助于最大程度地縮減功率損耗、電路尺寸、散熱器需求和成本。

 

如何利用NTC熱敏電阻檢測溫度

 

圖5顯示了負溫度系數(NTC)熱敏電阻在溫度范圍內的阻抗。由于它與溫度具有相關(guān)性，因此可將其連接為分壓器，從而將溫度轉換為電壓。

 

圖5. NTC阻抗與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

 

典型連接如圖6所示。當RTH隨溫度而變化時(shí)，VFB也會(huì )變化。

 

圖6. NTC熱敏電阻連接為分壓器以將溫度轉換為電壓

 

增加一個(gè)Rx與熱敏電阻串聯(lián)，便可相對于VREF將溫度電壓傳遞函數線(xiàn)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(dòng)影響，使其能精確檢測溫度。

 

圖7. VFB與溫度的關(guān)系

 

誤差放大器和比較器

 

模擬熱反饋環(huán)路包括兩級，由兩個(gè)放大器構成，如圖8所示。第一個(gè)放大器接受熱反饋電壓(VFB)，將該輸入轉換或調節為線(xiàn)性電壓輸出。此電壓代表對象溫度，饋入補償放大器中，與溫度設定電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)與二者之差成比例的誤差電壓。第二個(gè)放大器通常用來(lái)構建一個(gè)PID補償器，后者包括一個(gè)極低頻率極點(diǎn)、兩個(gè)不同的較高頻率零點(diǎn)和兩個(gè)高頻極點(diǎn)，如圖8所示。

 

圖8. 使用ADN8834內部?jì)蓚€(gè)斬波放大器的熱反饋環(huán)路圖

 

PID補償器可通過(guò)數學(xué)方法或經(jīng)驗方法確定。要從數學(xué)上模擬熱環(huán)路，需要TEC、激光二極管、連接器和散熱器的精確熱時(shí)間常數，這不太容易獲得。利用經(jīng)驗方法調諧補償器更為常見(jiàn)。通過(guò)假定溫度設定端具有某個(gè)階躍函數并改變目標溫度，設計人員可以調整補償網(wǎng)絡(luò )，使TEC溫度的建立時(shí)間最短。

 

激進(jìn)補償器會(huì )對熱擾動(dòng)快速作出反應，但也很容易變得不穩定，而保守補償器建立得較慢，但能耐受熱擾動(dòng)，發(fā)生過(guò)沖的可能性更小。系統穩定性和響應時(shí)間之間必須達到平衡。

 

TEC控制器系統的關(guān)鍵性能

 

TEC控制器系統的關(guān)鍵性能

有時(shí)候，即便PID補償器設計得當，穩態(tài)誤差仍會(huì )存在。下面是引起該誤差的幾個(gè)因素。

 

TEC熱功率預算：設計該系統時(shí)，TEC和電源電壓是最先選定的事情。然而，由于熱負荷不容易估計，選擇可能不正確。某些情況下，若將最大功率應用于TEC但仍不能達到目標溫度，可能意味著(zhù)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(gè)問(wèn)題。

 

基準電壓源一致性：基準電壓源會(huì )隨溫度和時(shí)間而漂移，對于閉合熱環(huán)路，這通常不是問(wèn)題。但是，尤其是在數字控制系統中，TEC控制器和微控制器的基準電壓源可能有不同的漂移，引起補償器不會(huì )察覺(jué)的誤差。建議這兩個(gè)電路采用相同的基準源，用具有較高驅動(dòng)能力的電壓覆蓋另一電壓。

 

溫度檢測：為使溫度誤差最小，精確檢測負載溫度非常重要。任何來(lái)自反饋的誤差都會(huì )進(jìn)入系統，補償器同樣不能糾正這種誤差。使用高精度熱敏電阻和自穩零放大器可避免誤差。熱敏電阻的布置也很重要。確保將它安裝到激光器上，以便能夠讀取我們要控制的實(shí)際溫度。

效率

 

TEC控制器的大部分功耗是由驅動(dòng)器級消耗的。在A(yíng)DN8833/ADN8834中，線(xiàn)性驅動(dòng)器的功耗可根據輸入至輸出壓降和負載電流直接得出。開(kāi)關(guān)模式驅動(dòng)器的損耗較為復雜，大致可分解為三部分：傳導損耗、開(kāi)關(guān)損耗和轉換損耗。傳導損耗與FET的RDSON和濾波電感的直流電阻成比例。選擇低電阻元件可降低傳導損耗。開(kāi)關(guān)損耗和轉換損耗高度依賴(lài)于開(kāi)關(guān)頻率。頻率越高，損耗越高，但無(wú)源元件尺寸可減小。為實(shí)現最優(yōu)設計，必須仔細權衡效率與空間。

 

噪聲和紋波

 

ADN8833/ADN8834中的開(kāi)關(guān)模式驅動(dòng)器以2MHz頻率切換，快速PWM開(kāi)關(guān)時(shí)鐘沿包含很寬的頻譜，會(huì )在TEC端產(chǎn)生電壓紋波，并且在整個(gè)系統中產(chǎn)生噪聲。增加適當的去耦和紋波抑制電容可降低噪聲和紋波。

 

對于開(kāi)關(guān)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。并聯(lián)使用多個(gè)SMT陶瓷電容可降低ESR(等效串聯(lián)電阻)并在局部給電源電壓去耦。在開(kāi)關(guān)模式驅動(dòng)器輸出節點(diǎn)，電壓紋波由濾波電感的電流紋波引起。為抑制此紋波，應在驅動(dòng)器輸出端到地之間并聯(lián)使用多個(gè)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并聯(lián)使用多個(gè)電容可有效降低等效ESR。

 

結 論

 

設計電信系統中激光二極管的TEC控制器系統是一項很復雜的工作。除了熱精度方面的挑戰之外，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控制器應具備如下優(yōu)點(diǎn)：

 

● 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

（來(lái)源：亞德諾半導體）