《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計(jì) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 熱電致冷的激光器溫度控制電路設(shè)計(jì)
熱電致冷的激光器溫度控制電路設(shè)計(jì)
摘要: 設(shè)計(jì)了一種高精度,、外圍元件較少的熱電致冷溫度控制電路。介紹了激光器溫度控制電路的系統(tǒng)組成及工作原理,重點(diǎn)論述了采用基于TPS63000的熱電致冷控制電路,,通過MCU的數(shù)字PID控制算法對(duì)EML激光器溫度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)的過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,該電路完全符合EML激光器對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求,。
Abstract:
Key words :

引言
    在光通信領(lǐng)域中,用于高速,、長(zhǎng)距離通信的電吸收調(diào)制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser,,EML)對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求很高,并朝著小型化和高密度化方向發(fā)展,。EML激光器是第一種大量生產(chǎn)的銦鎵砷磷(InGaAsP)光電集成器件,。它是在同一半導(dǎo)體芯片上集成激光器光源和電吸收外調(diào)制器,具有驅(qū)動(dòng)電壓低,、功耗低,、調(diào)制帶寬高、體積小,,結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),,比傳統(tǒng)DFB激光器更適合于高速率、長(zhǎng)距離的傳輸,。
    EML激光器的輸出波長(zhǎng),、電流閾值,、最大輸出功率和最小功率的波動(dòng)都直接受工作溫度的影響。同時(shí),,光源的啁啾聲受限于光通道的最大允許色散,,雖然光纖放大器可延長(zhǎng)信號(hào)傳輸距離,但色散值隨傳輸距離的線性累積與光纖放大器無關(guān),,因此只能對(duì)光源的啁啾提出很苛刻的要求,。使用直接調(diào)制激光器遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了系統(tǒng)對(duì)光源性能的要求,就目前技術(shù)而言,,最簡(jiǎn)單的方法是使用帶溫度控制的電吸收激光源,。
    本設(shè)計(jì)方案采用體積小且易于控制的熱電制冷器(ThermoElectric Cooler,TEC)作為制冷和加熱器件,,并采用高精度的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)作為溫度傳感器,,以MCU為控制核心,對(duì)EML激光器進(jìn)行精密溫度控制,。EML的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。虛線框內(nèi),上面的二極管負(fù)責(zé)監(jiān)控激光器和控制開關(guān),,下面的二極管控制背光電流,。



1 基于TPS63000的TEC控制電路設(shè)計(jì)
1.1 TEC的原理分析

    TEC制冷器又稱半導(dǎo)體制冷器。電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流,,當(dāng)直流通過兩種不同的導(dǎo)體材料,,接觸端上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象,稱為帕爾貼效應(yīng),。TEC熱電制冷器正是利用了帕爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷或制熱,,具有無噪聲、無磨損,、無污染,、制冷(熱)速度快、可靠性高,、體積小,、控制調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)。
    目前,,大多數(shù)EML激光器內(nèi)部都集成有TEC和熱敏電阻,,但其控制電路需采用專用芯片或自行設(shè)計(jì),否則激光器不能正常工作,。常用的TEC控制電路包括2個(gè)PWM降壓變換器,、4個(gè)開關(guān)(S1~S4)、2個(gè)二極管(D1和D2),、2個(gè)濾波電感(L1和L2),、2個(gè)電容(C1和C2),。TEC與電容C1并聯(lián)分別接PWMl和PWM2降壓變換器,PWMl和PWM2產(chǎn)生的輸出直流電壓為V1,、V2,。提供給TEC的電流ITBC=(V1-V2)/RTRC,RTEC為TEC兩電極間的阻抗,。這種控制電路典型應(yīng)用于Maxim公司的MAX8521,、MAXl968以及Linear公司的LTC1923芯片中,主要存在以下的缺點(diǎn):
    ①EMI較大,??刂齐娐分械膬蓚€(gè)濾波電感會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生電磁干擾,且濾波電感的回路阻抗易發(fā)生突變而導(dǎo)致產(chǎn)生尖銳的脈沖,。
    ②外圍電路器件數(shù)量龐大,。溫度的反饋信號(hào)以及其參數(shù)設(shè)置均采用模擬電路,從而使應(yīng)用的成本和復(fù)雜性增加,,TEC工作參數(shù)的設(shè)置不靈活,。
    ③TEC的溫控精度不高。由于采用的是模擬的控制方式,,外接誤差積分的運(yùn)算放大器以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的量化誤差都在一定程度上限制了TEC的控制精度,。
    ④模式切換較復(fù)雜??刂齐娐吩陔pPWM降壓變換器驅(qū)動(dòng)模式下采取模擬的控制方式,沒有運(yùn)行模式選擇功能,。
1.2 硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
   
本文設(shè)計(jì)了一種基于TPS63000的TEC控制電路,,采用數(shù)字式PID控制,具有溫控精度高,、外圍電路簡(jiǎn)單,、執(zhí)行部件的轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
TI公司的TPS63000是一款升降壓電源管理芯片,,DC/DC轉(zhuǎn)換器可在1.8~5.5 V的寬電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)96%的效率,。該芯片在降壓和升壓模式之間可自動(dòng)轉(zhuǎn)換,同時(shí)支持電流流入模式,。在降壓模式下電壓為3.3 V輸出時(shí),,輸出電流最大可達(dá)1200 mA;在升壓模式下電壓為3.3 V或5 V輸出時(shí),,輸出電流最大可達(dá)800 mA,。
    根據(jù)CyOptics公司的10 Gb/s Cooled EML的使用手冊(cè)可知,激光器的可操作溫度范圍在-40~90℃,,TEC熱電制冷器的電流ITEC為-1.5~1.5 A,,VTEC為-3.3~3.3 V,,熱敏電阻的電流ITHC不得超過100μA,中心波長(zhǎng)的范圍為1530~1565 nm,,且溫度每變化1℃波長(zhǎng)偏移不得
超過0.13 nm,。
    結(jié)合激光器的具體指標(biāo),要做到對(duì)TEC溫度的精確控制,,可分為以下3步:
    ①熱敏電阻實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度,;
    ②TEC上電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷和加熱;
    ③PID控制準(zhǔn)確,、快速,、穩(wěn)定地控制TEC電流。
    TEC控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,。


    EML內(nèi)部集成的高靈敏度NTlC熱敏電阻,溫度特性波動(dòng)小,、對(duì)各種溫度變化響應(yīng)快,,材料一般為薄膜鉑電阻。電阻的阻值與溫度的關(guān)系是非線性的,,可用公式表示為:
    R=RTO×EXP{B(1/T-1/TO)}
    其中,,T0為溫度的初始值,B為熱敏指數(shù),。
    熱敏電阻作為傳感器探測(cè)激光器內(nèi)部溫度,,并將溫度轉(zhuǎn)換為自身阻值的變化,然后由溫度控制電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化,,其轉(zhuǎn)換精度決定了測(cè)溫的精度,。轉(zhuǎn)換后電壓值的大小決定TEC LOOP電路的電流的流向(流入還是流出),以此來實(shí)現(xiàn)TEC控制電路的制冷或制熱,。
    圖3為設(shè)計(jì)的TEC LOOP電路,。


    在TPS6300X系列芯片中,為了更好地控制輸出電壓VOUT,,通常用FB引腳電壓值的變化來感知輸出電壓V(OUT值的變化,,這就意味著FB引腳要和VOUT引腳直接相連。
   
    可得出,,VFB=K1·VOUT+K2·VDAC,。其中,K1,、K2為常量,,VDAC為MCU的控制電壓。通過對(duì)輸出電壓VOUT值的控制,當(dāng)電流由ITEC(+)流向ITEC(-)時(shí),,激光器將制冷,,反之制熱。
    在這個(gè)可調(diào)節(jié)的電壓輸出系統(tǒng)中,,要調(diào)節(jié)VOUT值,,還要用一個(gè)外部的分壓電阻連接在FB、VOUT和GND之間,。為了能正常地調(diào)節(jié)VOUT值,,V-FB值最大不超過500 mA,IFB不超過0.01μA,,RB的阻值小于500 kΩ,。分壓電阻RA阻值由VFB、YOUT和RB確定,。
1.3 TEC LOOP控制算法
    PID(Proportional Integral Derivative)控制是一種線性的調(diào)節(jié),,即比例、積分,、微分控制,。PID控制有模擬PID和數(shù)字PID控制兩種,通常依據(jù)控制器輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,,將基本數(shù)字PID算法分為位置式PID和增量式PID,。本文中TEC LOOP控制采用了適合于溫度控制的位置式PID控制算法。該算法原理簡(jiǎn)單,,只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化,,運(yùn)用于計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),。圖4是TEC LOOP的控制模型,。


    該控制模型的控制表達(dá)式為:
   
    其中,Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù),,Ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù),Kd為微分調(diào)節(jié)系數(shù),,e(k)為每次采樣值與目標(biāo)值的差值,,u(k)為每次計(jì)算后用于調(diào)整溫度的DAC值。模型中的反饋部分是將24位DAC的采樣值轉(zhuǎn)換成溫度,,當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度的差值通過PID算法計(jì)算出當(dāng)前需要調(diào)整的DAC值,,從而來實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
   
基于以上設(shè)計(jì)的TEC控制電路,,分別對(duì)4只EML激光器在-10℃,、25℃、75℃三種溫度下進(jìn)行3.3(1±10%)V的一些性能指標(biāo)測(cè)試,,測(cè)試的激光器是在循環(huán)箱中進(jìn)行,,表1為其中波長(zhǎng)和光發(fā)射功率的具體測(cè)量數(shù)據(jù),。


    從表中可以看出,當(dāng)TEC控制在42℃,,4只EML激光器分別工作在-10℃,、25℃、75℃時(shí),,中心波長(zhǎng)的偏移均不超過0.2 nm,,光功率的變化在±1 dB之內(nèi)。根據(jù)CyOptics公司的lO Gb/s Cooled EML的使用手冊(cè)可知,,光功率,、中心波長(zhǎng)完全滿足TDM(時(shí)分復(fù)用)的要求,波長(zhǎng)的變化范圍也可以滿足WDM(波分復(fù)用)應(yīng)用需求,。

結(jié)語
   
本文所設(shè)計(jì)的基于TPS63000的溫度控制電路,,已成功應(yīng)用在CyOptics公司的EML激光器中。實(shí)際使用證明:該電路可以有效地對(duì)TEC的溫度進(jìn)行控制,,能夠使EML激光器長(zhǎng)期,、穩(wěn)定地工作在設(shè)定溫度下。此模塊工作溫度寬,、集成度高,、成本低,經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以適用于大多數(shù)集成光通信系統(tǒng),。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。