热电致冷的激光器温度控制电路设计讲解

1、热电致冷的激光器温度控制电路设计引言在光通信领域中，用于高速、长距离通信的电吸收调制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser， EML对温度稳定性的要求很高，并朝着小型化和高密度化方向发展。EMLL激光器是第一种大量生产的铟傢砷磷(In GaAsP)光电 集成器件。它是在同一半导体芯片上集成激光器光源和电吸收外调制器，具有 驱动电压低、功耗低、调制带宽高、体积小，结构紧凑等优点，比传统DFB激光器更适合于高速率、长距离的传输。EML激光器的输出波长、电流引言在光通信领域中，用于高速、长距离通信的电吸收调制激光器 (Electlro-absorption M

2、odulated Laser ，EML对温度稳定性的要求很高，并 朝着小型化和高密度化方向发展。EML激光器是第一种大量生产的铟傢砷磷 (In GaAsP)光电集成器件。它是在同一半导体芯片上集成激光器光源和电吸收外 调制器，具有驱动电压低、功耗低、调制带宽高、体积小，结构紧凑等优点， 比传统DFB激光器更适合于高速率、长距离的传输。EML激光器的输出波长、电流阈值、最大输出功率和最小功率的波动都 直接受工作温度的影响。同时，光源的啁啾声受限于光通道的最大允许色散， 虽然光纤放大器可延长信号传输距离，但色散值随传输距离的线性累积与光纤 放大器无关，因此只能对光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接

3、调制激光器 远远满足不了系统对光源性能的要求，就目前技术而言，最简单的方法是使用 带温度控制的电吸收激光源。本设计方案采用体积小且易于控制的热电制冷器 (ThermoElectricCooler，TEC作为制冷和加热器件，并采用高精度的负温度系数热敏电阻(NTC)作为温度传感器，以MCI为控制核心，对EML激光器进行精密温度控制。EML 的内部结构框图如图1所示。虚线框内，上面的二极管负责监控激光器和控制 开关，下面的二极管控制背光电流。1基于TPS63000的TEC控制电路设计1.1 TEC的原理分析TEC 制冷器又称半导体制冷器。电荷载体在导体中运动形成电流，当直 流通过两种不同的导体材料

4、，接触端上将产生吸热或放热现象，称为帕尔贴效 应。TEC热电制冷器正是利用了帕尔贴效应实现制冷或制热，具有无噪声、无 磨损、无污染、制冷 （ 热 ） 速度快、可靠性高、体积小、控制调节方便等特点。目前，大多数EML激光器内部都集成有TEC和热敏电阻，但其控制电路 需采用专用芯片或自行设计，否则激光器不能正常工作。常用的TEC控制电路包括2个PWM降压变换器、4个开关（S1S4）、2个二极管（D1和D2）、2个滤 波电感（L1和L2）、2个电容（C1和C2）。TEC与电容C1并联分别接PWM和 PWM降压变换器，PWM和 PWM产生的输出直流电压为 VI、V2。提供给TEC的 电流ITBC=（V

5、1-V2） / RTRC RTEC为TEC两电极间的阻抗。这种控制电路典型应 用于Maxim公司的MAX8521 MAXI968以及Linear公司的LTC1923芯片中，主 要存在以下的缺点： EMI较大。控制电路中的两个滤波电感会对周围产生电磁干扰，且滤 波电感的回路阻抗易发生突变而导致产生尖锐的脉冲。 外围电路器件数量庞大。温度的反馈信号以及其参数设置均采用模拟电路，从而使应用的成本和复杂性增加，TEC工作参数的设置不灵活。 TEC的温控精度不高。由于采用的是模拟的控制方式，外接误差积分的运算放大器以及数/模转换器的量化误差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。 模式切换较复杂。控制电路

6、在双 PWMI压变换器驱动模式下采取模拟 的控制方式，没有运行模式选择功能。12 硬件电路结构设计本文设计了一种基于TPS63000的 TEC控制电路，采用数字式PID控制， 具有温控精度高、外围电路简单、执行部件的转换效率高等优点。TI公司的TPS63000是一款升降压电源管理芯片，DC/DC转换器可在1. 8 55 V 的宽电压范围内实现高达 96的效率。该芯片在降压和升压模式之间可 自动转换，同时支持电流流入模式。在降压模式下电压为3. 3 V输出时，输出电流最大可达1200 mA在升压模式下电压为3. 3 V或5 V输出时，输出电流 最大可达 800 mA。根据 CyOptics 公司

7、的 10 Gb/s CooIed EML 的使用手册可知，激光器 的可操作温度范围在-4090C, TEC热电制冷器的电流ITEC为-1 . 51. 5 A，VTEC为-3 . 33. 3 V，热敏电阻的电流ITHC不得超过100卩A,中心波长 的范围为15301565 nm,且温度每变化 1C波长偏移不得 超过 013 nm。结合激光器的具体指标，要做到对 TEC温度的精确控制，可分为以下3 步： 热敏电阻实时监控温度； TEC上电流方向实现制冷和加热； PID控制准确、快速、稳定地控制 TEC电流。TEC控制系统是一个典型的闭环反馈控制系统，其结构如图2所示。EML内部集成的高灵敏度NTI

8、C热敏电阻，温度特性波动小、对各种温 度变化响应快，材料一般为薄膜铂电阻。电阻的阻值与温度的关系是非线性 的，可用公式表示为：R=RTG EXPB(1/T-1 /TO)其中，T0为温度的初始值，B为热敏指数。热敏电阻作为传感器探测激光器内部温度，并将温度转换为自身阻值的 变化，然后由温度控制电路将电阻的变化转换为电压的变化，其转换精度决定 了测温的精度。转换后电压值的大小决定 TEC LOOP电路的电流的流向(流入还 是流出)，以此来实现TEC控制电路的制冷或制热。图3为设计的TEC LOO电路。在TPS6300X系列芯片中，为了更好地控制输出电压 VOUT通常用FB 引脚电压值的变化来感知输

9、出电压 V(OUT值的变化，这就意味着FB引脚要和 VOUTH脚直接相连。a可得出，VFB=K1 VOUT+K2VDAC 其中，K1、K2为常量，VDAC为 MCU 的控制电压。通过对输出电压 VOUT值的控制，当电流由ITEC(+)流向ITEC(-) 时，激光器将制冷，反之制热。在这个可调节的电压输出系统中，要调节 VOUTS，还要用一个外部的 分压电阻连接在FB VOUT和GND之间。为了能正常地调节 VOUTS, V-FB值最 大不超过500 mA, IFB不超过0. 01卩A, RB的阻值小于500 k Q。分压电阻RA 阻值由VFB YOUT和RB确定。1. 3 TEC LOOP空制

10、算法PID(Proportio nal In tegral Derivative)控制是一种线性的调节，即比例、积分、微分控制。PID控制有模拟PID和数字PID控制两种，通常依据 控制器输出与执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID。本文中TEC LOO控制采用了适合于温度控制的位置式PID控制算法。该算法原理简单，只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量，结构简单易于实现。图 4是TEC LOOP勺控制模型。该控制模型的控制表达式为:上J其中，Kp为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Kd为微分调节系数, e(k)为每次采样值与目标值的差值，u(k

11、)为每次计算后用于调整温度的 DAC 值。模型中的反馈部分是将24位DAC勺采样值转换成温度，当前温度与目标温 度的差值通过PID算法计算出当前需要调整的DACfi，从而来实现温度的精确 控制。2实验结果及分析基于以上设计的TEC控制电路，分别对4只EML激光器在-10C、25C、 75C三种温度下进行3. 3(1 ± 10% )V的一些性能指标测试，测试的激光器是在 循环箱中进行，表1为其中波长和光发射功率的具体测量数据。从表中可以看出，当TEC控制在42C, 4只EML激光器分别工作在- 10C、25C、75E时，中心波长的偏移均不超过 0. 2 nm,光功率的变化在土 1 dB之内。根据CyOptics公司的IO Gb/s Cooled EML的使用手册可知，光功 率、中心波长完全满足TDM时分复用)的要求，波长的变化范围也可以满足WDM波分复用）应用需求。结语本文所设计的基于TPS63000的温度控制电路，已成功应用在 CyOptics 公司的EML激光器中。实际使用证明：该电路可以有效地对 TEC的温度进行控 制，能够使EML激光器长期、稳定地工作在设定温度下。此模块工作温度宽、 集成度高、成本低，经过进一步优化设计还可以适用于大多数集成光通信系 统。热门词条5*1.5