电信系统中的TEC控制器应用

大器构成，如图8所示。第一个放大器接受热反馈电压(VFB)，将该输入转换或调节为线性电压输出。此电压代表对象温度，馈入补偿放大器中，与温度设定电压进行比较，产生一个与二者之差成比例的误差电压。第二个放大器通常用来构建一个PID补偿器，后者包括一个极低频率极点、两个不同的较高频率零点和两个高频极点，如图8所示。

　　PID补偿器可通过数学方法或经验方法确定。要从数学上模拟热环路，需要TEC、激光二极管、连接器和散热器的精确热时间常数，这不太容易获得。利用经验方法调谐补偿器更为常见。通过假定温度设定端具有某个阶跃函数并改变目标温度，设计人员可以调整补偿网络，使TEC温度的建立时间最短。

　　激进补偿器会对热扰动快速作出反应，但也很容易变得不稳定，而保守补偿器建立得较慢，但能耐受热扰动，发生过冲的可能性更小。系统稳定性和响应时间之间必须达到平衡。

　　图8.使用ADN8834内部两个斩波放大器的热反馈环路图

　　TEC控制器系统的关键性能

　　温度调节精度

　　有时候，即便PID补偿器设计得当，稳态误差仍会存在。下面是可能引起该误差的几个因素。

　　? TEC热功率预算：设计该系统时，TEC和电源电压是最先选定的事情。然而，由于热负荷不容易估计，选择可能不正确。某些情况下，若将最大功率应用于TEC但仍不能达到目标温度，可能意味着热功率预算不足以处理热负荷。提高电源电压或挑选具有更高功率额定值的TEC可解决这个问题。

　　? 基准电压源一致性：基准电压源会随温度和时间而漂移，对于闭合热环路，这通常不是问题。但是，尤其是在数字控制系统中，TEC控制器和微控制器的基准电压源可能有不同的漂移，引起补偿器不会察觉的误差。建议这两个电路采用相同的基准源，用具有较高驱动能力的电压覆盖另一电压。

　　? 温度检测：为使温度误差最小，精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，补偿器同样不能纠正这种误差。使用高精度热敏电阻和自稳零放大器可避免误差。热敏电阻的布置也很重要。确保将它安装到激光器上，以便能够读取我们要控制的实际温度。

　　效率

　　TEC控制器的大部分功耗是由驱动器级消耗的。在ADN8833/ADN8834中，线性驱动器的功耗可根据输入至输出压降和负载电流直接得出。开关模式驱动器的损耗较为复杂，大致可分解为三部分：传导损耗、开关损耗和转换损耗。传导损耗与FET的RDSON和滤波电感的直流电阻成比例。选择低电阻元件可降低传导损耗。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，但无源元件尺寸可减小。为实现最优设计，必须仔细权衡效率与空间。

　　噪声和纹波

　　ADN8833/ADN8834中的开关模式驱动器以2 MHz频率切换，快速PWM开关时钟沿包含很宽的频谱，会在TEC端产生电压纹波，并且在整个系统中产生噪声。增加适当的去耦和纹波抑制电容可降低噪声和纹波。

　　对于开关模式电源常用的降压拓扑，电源电压轨上的纹波主要由PWM FET斩波的断续电流所引起。并联使用多个SMT陶瓷电容可降低ESR(等效串联电阻)并在局部给电源电压去耦。在开关模式驱动器输出节点，电压纹波由滤波电感的电流纹波引起。为抑制此纹波，应在驱动器输出端到地之间并联使用多个SMT陶瓷电容。纹波电压主要由电容ESR与电感纹波电流的乘积决定：ΔV_TEC = ESR × ΔI_L并联使用多个电容可有效降低等效ESR。

　　结论

　　设计电信系统中激光二极管的TEC控制器系统是一项很复杂的工作。除了热精度方面的挑战之外，封装尺寸通常非常小，功耗容差也很低。一般而言，设计精良的TEC控制器应具备如下优点：

　　? 精准温度调节

　　? 高效率

　　? 板尺寸很小

　　? 低噪声

　　? 电流和电压监控与保护