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为了控制温度,需要由热敏电阻、热电冷却器(TEC)和热电冷却器组成的回路

    在光纤通信系统中,使用激光二极管作为传输信号的激光器,以及用于掺铒光纤放大器(EDFA)和光放大器(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b然而,这些特性取决于激光器的温度:只要温度漂移,波长就会发生变化,转换效率就会降低,所需的温度稳定度在0.001C到0.5C之间,这取决于应用。

    

    为了控制温度,需要由热敏电阻、热电冷却器(TEC)和热电冷却器组成的回路。当它被构造成分压器时,可以用来将温度转换为电压,将反馈电压与代表目标温度的参考电压进行比较,然后控制流过TEC的电流以调节TEC所传递的热量。

    

    上述系统的总体框图如图1所示。激光二极管、TEC和热敏电阻位于激光模块内部。ADN8833或ADN8834读取热敏电阻的反馈电压并向TEC提供驱动电压。微控制器用于监测和控制热环。内置模拟电路,ADN8834内置两个零漂斩波放大器,可作为PID补偿器。

    

    本文将描述通信系统的组成,并介绍主要部件的主要技术指标,目的是从系统的角度阐述设计考虑,为设计人员构建具有良好温度控制精度的高性能系统提供全局指导,损耗小,体积小。

    

    当电流流过这些导体时,热量会在一端被吸收,而在另一端释放;当电流方向相反时,热量传递就会逆转。这个过程叫做珀特效应。N型半导体中的载流子是电子,所以它们的载流子和热量从阳极流到阴极。pposite P型半导体具有空穴载流子,并且热沿相反方向流动。

    

    取一对P-N半导体对并用金属板连接起来,如图3所示。当电流流过时,热量将向一个方向传递。

    

    改变直流电压的极性可以改变热传递的方向,并且热传递与电压幅值成正比,热电冷却由于其简单性和鲁棒性,在电信系统的热调节中得到了广泛的应用。

    

    在选择TEC模块时,需要考虑很多因素,如环境温度、目标温度、热负荷、电源电压和模块的物理特性。TEC模块制造商通常在数据手册中提供两条性能曲线,一条曲线表示电源电压范围内不同温差(T)下的传热能力,另一条曲线表示电源电压不同组合所需的冷却加热电流。设计者可以估计模块的功率容量,以确定是否满足特定的应用需求。

    

    为了利用TEC进行温度补偿,TEC控制器应该能够根据反馈误差产生可逆的差分电压并提供适当的电压和电流限制。图4给出了ADN8834的简化系统框图。主要功能模块包括温度检测电路、误差放大器和补偿器。饱和器,TEC电压电流检测限制电路,差分电压驱动器。

    

    TEC控制器输出一个差分电压,使得通过TEC的电流可以带走与TEC相连的物体的热量,或者平滑地将其转变成相反的极性来加热物体。电压驱动器可以处于线性模式、开关模式或混合电桥。线性模式驱动器更简单更小,但是效率很低。开关模式驱动器具有高达90%的良好效率,但是输出端子需要额外的滤波器电感和电容。ADN8833和ADN8834采用混合配置,包括线性驱动器和开关模式驱动器,在保持高效率的同时,将较大的滤波器元件的数量减少一半。

    

    电压驱动器的设计是控制器的关键,因为它占据了大部分的功耗和电路板空间。优化的驱动器水平有助于最小化功耗、电路尺寸、散热器的要求和成本。

    

    图5显示了负温度系数(NTC)热敏电阻在温度范围内的阻抗。由于它与温度的相关性,它可以连接到分压器,从而将温度转换为电压。典型的连接如图6所示。当RTH随温度变化时,VFB也会变化。与热敏电阻串联,温度和电压传递函数可以相对于VREF线性化,如图7所示。它必须与模块外壳内的激光器紧密耦合,以隔离外部温度波动的影响,从而可以准确地检测温度。

    

    模拟热反馈回路包括两个阶段,由两个放大器组成,如图8所示。第一放大器接收热反馈电压(VFB),并将输入转换或调整为线性电压输出。该电压表示对象的温度,并被馈入补偿放大器以产生误差v。电压与温度设定电压和温度设定电压之差成比例。第二放大器通常用于构造PID补偿器,该补偿器包括非常低的频率极点、两个不同的高频零点和两个高频极点,如图8所示。

    

    PID补偿器可以通过数学方法或经验方法确定。为了数学地模拟热环,需要精确的TEC、激光二极管、连接器和散热器的热时间常数,这不易获得。补偿器的经验调节更为常见。通过改变目标温度,设计者可以调整补偿网络,以最小化TEC温度的建立时间。

    

    径向补偿器对热扰动响应迅速,但是它们很容易变得不稳定。虽然保守补偿器的建立比较缓慢,但是它们能够承受热扰动,并且超调的可能性较小,必须达到系统稳定性和响应时间之间的平衡。

    

    有时,即使PID补偿器设计得当,稳态误差仍然存在。

    

    TEC热功率预算:系统设计时,首先要考虑的是TEC和电源电压。然而,由于热负荷不易估计,所以选择可能不正确。在某些情况下,如果最大功率应用于TEC,但仍不能达到目标温度,则可能意味着热功率预算不足。通过提高电源电压或选择额定功率较高的TEC可以解决这一问题。

    

    参考电压源一致性:参考电压源随温度和时间漂移,这对于闭合的热回路通常不是问题。然而,特别是在数字控制系统中,TEC控制器和微控制器的参考电压源可能漂移不同,导致补偿器无法检测到的误差。建议两个电路使用相同的参考源,并用具有较高驱动容量的电压覆盖另一个电压。

    

    温度检测:为了减小温度误差,准确检测负载温度非常重要。任何来自反馈的误差都会进入系统,补偿器不能校正误差。使用高精度热敏电阻和自稳定零放大器可以避免误差。同样重要。请确保它安装在激光器上,这样我们就可以读取我们想要控制的实际温度。

    

    在ADN8833ADN8834中,线性驱动器的功耗可直接由输入输出电压降和负载电流导出,开关模式驱动器的损耗比较复杂,大致可分为导通损耗、开关损耗和共轭损耗三部分。反向损耗。传导损耗与RDSON的直流电阻和FET的滤波电感成正比。选择低电阻元件可以减少传导损耗。开关损耗和转换损耗高度依赖于开关频率。频率越高,损耗越高,但是无源元件的尺寸可以减小。为了实现优化设计,我们必须仔细权衡效率和空间。

    

    ADN8833ADN8834中的开关模式驱动器以2MHz频率进行开关。快速PWM开关时钟具有宽的频谱,在TEC端产生电压纹波,在整个系统中产生噪声,增加适当的解耦和纹波抑制电容可以减小噪声和纹波。

    

    对于开关电源的共降压拓扑,电源电压轨上的纹波主要是由PWM FET斩波器的间歇电流引起的,采用多个SMT陶瓷电容器并联可以减小ESR(等效串联电阻)和解耦局部电源电压。电压纹波是由滤波器电感的电流纹波引起的,为了抑制这种纹波,在驱动器的输出端和地之间应该并联使用多个SMT陶瓷电容器,纹波电压主要由电容器ESR和电感纹波电流的乘积决定:V_TEC=ESR I_L。并联电容器可有效降低等效ESR。

    

    电信系统中半导体激光器TEC控制器的设计是一项非常复杂的工作,除了对热精度的挑战外,封装尺寸通常很小,功率公差很低。

    

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