【導(dǎo)讀】本文將說(shuō)明電信系統(tǒng)中激光二極管熱控制系統(tǒng)的組成，并介紹主要器件的關(guān)健規(guī)格。本文的目的是從系統(tǒng)角度闡述各項(xiàng)設(shè)計(jì)考慮，為設(shè)計(jì)人員構(gòu)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(tǒng)提供全局性指南。
簡(jiǎn)介
在光纖電信系統(tǒng)中，激光二極管用作發(fā)送信號(hào)的發(fā)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(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)的整體性能良好。然而，這些特性取決于激光器的溫度：只要溫度發(fā)生漂移，波長(zhǎng)就會(huì)改變，轉(zhuǎn)換效率將會(huì)降低。要求的溫度穩(wěn)定性介于±0.001°C至±0.5°C，具體數(shù)值視應(yīng)用而定。
為了控制溫度，需要一個(gè)由熱敏電阻、熱電冷卻器(TEC)和TEC控制器組成的環(huán)路。熱敏電阻的阻值與溫度成比例變化(反比或正比，取決于熱敏電阻類型)，當(dāng)配置為分壓器時(shí)，可利用它來(lái)將溫度轉(zhuǎn)換為電壓。TEC控制器將該反饋電壓與代表目標(biāo)溫度的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，然后控制流經(jīng)TEC的電流，從而調(diào)整TEC傳輸?shù)臒崃俊?/div>
上述系統(tǒng)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(nèi)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(qū)動(dòng)電壓。使用微控制器監(jiān)測(cè)和控制熱環(huán)路。注意，熱環(huán)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，可將其用作PID補(bǔ)償器。
本文將說(shuō)明電信系統(tǒng)中激光二極管熱控制系統(tǒng)的組成，并介紹主要器件的關(guān)健規(guī)格。本文的目的是從系統(tǒng)角度闡述各項(xiàng)設(shè)計(jì)考慮，為設(shè)計(jì)人員構(gòu)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(tǒng)提供全局性指南。
圖1.激光模塊的溫度控制系統(tǒng)
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(dǎo)體陣列，如圖2所示。
當(dāng)電流流經(jīng)這些導(dǎo)體時(shí)，熱量將在一端吸收并在另一端釋放;當(dāng)電流方向相反時(shí)，熱傳輸也會(huì)反向。該過(guò)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P型半導(dǎo)體具有空穴載流子，熱量也沿相反方向流動(dòng)。
圖2.帶散熱器的TEC模塊
取一對(duì)P-N半導(dǎo)體對(duì)，用金屬板將其連接起來(lái)，如圖3所示;當(dāng)電流流過(guò)時(shí)，熱量將沿一個(gè)方向傳輸。
改變直流電壓的極性可改變熱傳輸方向，傳輸?shù)臒崃颗c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(tǒng)的熱調(diào)理。
圖3.珀?duì)柼?yīng)：P-N半導(dǎo)體對(duì)的熱流
選擇TEC模塊
選擇TEC模塊時(shí)，需要考慮系統(tǒng)中的許多因素，如環(huán)境溫度、對(duì)象目標(biāo)溫度、熱負(fù)荷、電源電壓和模塊的物理特性等。必須認(rèn)真評(píng)估熱負(fù)荷，確保所選TEC模塊有足夠的容量來(lái)將熱量從系統(tǒng)泵出以維持目標(biāo)溫度。TEC模塊制造商在數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常會(huì)提供兩條性能曲線。一條曲線顯示電源電壓范圍內(nèi)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(shè)計(jì)人員可以估計(jì)模塊的功率容量，確定它能否滿足特定應(yīng)用需要。
TEC控制器操作和系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了利用TEC補(bǔ)償溫度，TEC控制器應(yīng)能根據(jù)反饋誤差產(chǎn)生可逆差分電壓，并提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏飨拗怠D4為ADN8834的簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖。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)和限值電路、差分電壓驅(qū)動(dòng)器。
圖4.單芯片TEC控制器ADN8834功能框圖
差分電壓驅(qū)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(duì)象的熱量，或者平穩(wěn)地變?yōu)橄喾礃O性以加熱該對(duì)象。電壓驅(qū)動(dòng)器可以是線性模式、開(kāi)關(guān)模式或混合電橋。線性模式驅(qū)動(dòng)器更簡(jiǎn)單且更小，但效率不佳。開(kāi)關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器具有良好的效率——高達(dá)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)線性驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)開(kāi)關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器，體積較大濾波元件的數(shù)量減半，同時(shí)能夠保持高效率性能。
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。優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器級(jí)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。
利用NTC熱敏電阻檢測(cè)溫度
圖5顯示了負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻在溫度范圍內(nèi)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(zhuǎn)換為電壓。典型連接如圖6所示。當(dāng)RTH隨溫度而變化時(shí)，VFB也會(huì)變化。增加一個(gè)Rx與熱敏電阻串聯(lián)，便可相對(duì)于VREF將溫度電壓傳遞函數(shù)線性化，如圖7所示。必須將其與模塊殼內(nèi)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(cè)溫度。
誤差放大器和補(bǔ)償器
模擬熱反饋環(huán)路包括兩級(jí)，由兩個(gè)放大器構(gòu)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(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)為線性電壓輸出。此電壓代表對(duì)象溫度，饋入補(bǔ)償放大器中，與溫度設(shè)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(gòu)建一個(gè)PID補(bǔ)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。
PID補(bǔ)償器可通過(guò)數(shù)學(xué)方法或經(jīng)驗(yàn)方法確定。要從數(shù)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(shù)，這不太容易獲得。利用經(jīng)驗(yàn)方法調(diào)諧補(bǔ)償器更為常見(jiàn)。通過(guò)假定溫度設(shè)定端具有某個(gè)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)，使TEC溫度的建立時(shí)間最短。
激進(jìn)補(bǔ)償器會(huì)對(duì)熱擾動(dòng)快速作出反應(yīng)，但也很容易變得不穩(wěn)定，而保守補(bǔ)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(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間之間必須達(dá)到平衡。
圖8.使用ADN8834內(nèi)部?jī)蓚€(gè)斬波放大器的熱反饋環(huán)路圖
TEC控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能
溫度調(diào)節(jié)精度
有時(shí)候，即便PID補(bǔ)償器設(shè)計(jì)得當(dāng)，穩(wěn)態(tài)誤差仍會(huì)存在。下面是可能引起該誤差的幾個(gè)因素。
TEC熱功率預(yù)算：設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，TEC和電源電壓是最先選定的事情。然而，由于熱負(fù)荷不容易估計(jì)，選擇可能不正確。某些情況下，若將最大功率應(yīng)用于TEC但仍不能達(dá)到目標(biāo)溫度，可能意味著熱功率預(yù)算不足以處理熱負(fù)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(zhǔn)電壓源一致性：基準(zhǔn)電壓源會(huì)隨溫度和時(shí)間而漂移，對(duì)于閉合熱環(huán)路，這通常不是問(wèn)題。但是，尤其是在數(shù)字控制系統(tǒng)中，TEC控制器和微控制器的基準(zhǔn)電壓源可能有不同的漂移，引起補(bǔ)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(zhǔn)源，用具有較高驅(qū)動(dòng)能力的電壓覆蓋另一電壓。
溫度檢測(cè)：為使溫度誤差最小，精確檢測(cè)負(fù)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(tǒng)，補(bǔ)償器同樣不能糾正這種誤差。使用高精度熱敏電阻和自穩(wěn)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(qū)動(dòng)器級(jí)消耗的。在ADN8833/ADN8834中，線性驅(qū)動(dòng)器的功耗可根據(jù)輸入至輸出壓降和負(fù)載電流直接得出。開(kāi)關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器的損耗較為復(fù)雜，大致可分解為三部分：傳導(dǎo)損耗、開(kāi)關(guān)損耗和轉(zhuǎn)換損耗。傳導(dǎo)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(dǎo)損耗。開(kāi)關(guān)損耗和轉(zhuǎn)換損耗高度依賴于開(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(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，必須仔細(xì)權(quán)衡效率與空間。
噪聲和紋波
ADN8833/ADN8834中的開(kāi)關(guān)模式驅(qū)動(dòng)器以2 MHz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(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。增加適當(dāng)?shù)娜ヱ詈图y波抑制電容可降低噪聲和紋波。
對(duì)于開(kāi)關(guān)模式電源常用的降壓拓?fù)洌娫措妷很壣系募y波主要由PWM FET斬波的斷續(xù)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(qū)動(dòng)器輸出節(jié)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(yīng)在驅(qū)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(jié)論
設(shè)計(jì)電信系統(tǒng)中激光二極管的TEC控制器系統(tǒng)是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作。除了熱精度方面的挑戰(zhàn)之外，封裝尺寸通常非常小，功耗容差也很低。一般而言，設(shè)計(jì)精良的TEC控制器應(yīng)具備如下優(yōu)點(diǎn)：精準(zhǔn)溫度調(diào)節(jié)、高效率、板尺寸很小、低噪聲、電流和電壓監(jiān)控與保護(hù)。
