电信系统中的TEC控制器应用

　　简介

　　在光纤电信系统中，激光二极管用作发送信号的发射激光器，以及掺铒光纤放大器(EDFA)和光放大器(SOA)的泵激光器。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良好。然而，这些特性取决于激光器的温度：只要温度发生漂移，波长就会改变，转换效率将会降低。要求的温度稳定性介于±0.001°C至±0.5°C，具体数值视应用而定。

　　为了控制温度，需要一个由热敏电阻、热电冷却器(TEC)和TEC控制器组成的环路。热敏电阻的阻值与温度成比例变化(反比或正比，取决于热敏电阻类型)，当配置为分压器时，可利用它来将温度转换为电压。TEC控制器将该反馈电压与代表目标温度的基准电压进行比较，然后控制流经TEC的电流，从而调整TEC传输的热量。

　　上述系统的一般框图如图1所示。激光二极管、TEC和热敏电阻位于激光模块内部。TEC控制器ADN8833或ADN8834读取热敏电阻的反馈电压，并向TEC提供驱动电压。使用微控制器监测和控制热环路。注意，热环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，可将其用作PID补偿器。

　　本文将说明电信系统中激光二极管热控制系统的组成，并介绍主要器件的关健规格。本文的目的是从系统角度阐述各项设计考虑，为设计人员构建一个具有良好温度控制精度、低损耗、小尺寸的高性能系统提供全局性指南。

　　图1.激光模块的温度控制系统

　　TEC：热电冷却技术

　　热电冷却器包括两片表面陶瓷板，其间交替放置P型和N型半导体阵列，如图2所示。

　　当电流流经这些导体时，热量将在一端吸收并在另一端释放;当电流方向相反时，热传输也会反向。该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P型半导体具有空穴载流子，热量也沿相反方向流动。

　　图2.带散热器的TEC模块

　　取一对P-N半导体对，用金属板将其连接起来，如图3所示;当电流流过时，热量将沿一个方向传输。

　　改变直流电压的极性可改变热传输方向，传输的热量与电压幅度成比例。由于既简单又鲁棒，热电冷却被广泛用于电信系统的热调理。

　　图3.珀尔帖效应：P-N半导体对的热流

　　选择TEC模块

　　选择TEC模块时，需要考虑系统中的许多因素，如环境温度、对象目标温度、热负荷、电源电压和模块的物理特性等。必须认真评估热负荷，确保所选TEC模块有足够的容量来将热量从系统泵出以维持目标温度。TEC模块制造商在数据手册中通常会提供两条性能曲线。一条曲线显示电源电压范围内不同温差(ΔT)下的热传输容量，另一条曲线显示电源电压和ΔT的不同组合所需要的冷却/加热电流。设计人员可以估计模块的功率容量，确定它能否满足特定应用需要。

　　TEC控制器操作和系统设计

　　为了利用TEC补偿温度，TEC控制器应能根据反馈误差产生可逆差分电压，并提供适当的电压和电流限值。图4为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、TEC电压/电流检测和限值电路、差分电压驱动器。

　　图4.单芯片TEC控制器ADN8834功能框图

　　差分电压驱动器

　　TEC控制器输出一个差分电压，使得通过TEC的电流可以带走连接到TEC的对象的热量，或者平稳地变为相反极性以加热该对象。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且更小，但效率不佳。开关模式驱动器具有良好的效率——高达90%以上——但输出端需要额外的滤波电感和电容。ADN8833和ADN8834使用混合配置，含有一个线性驱动器和一个开关模式驱动器，体积较大滤波元件的数量减半，同时能够保持高效率性能。

　　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。优化的驱动器级有助于最大程度地缩减功率损耗、电路尺寸、散热器需求和成本。

　　利用NTC热敏电阻检测温度

　　图5显示了负温度系数(NTC)热敏电阻在温度范围内的阻抗。由于它与温度具有相关性，因此可将其连接为分压器，从而将温度转换为电压。典型连接如图6所示。当RTH随温度而变化时，VFB也会变化。增加一个Rx与热敏电阻串联，便可相对于VREF将温度电压传递函数线性化，如图7所示。必须将其与模块壳内部的激光器紧密耦合，隔绝外部温度波动影响，使其能精确检测温度。

　　图5.NTC阻抗与温度的关系曲线

　　图6.NTC热敏电阻连接为分压器以将温度转换为电压

　　图7.VFB与温度的关系

　　误差放大器和补偿器

模拟热反馈环路包括两级，由两个放