熱電致冷的雷射器溫度控制電路設計

2020-11-25 電子產品世界

引言
 在光通信領域中，用於高速、長距離通信的電吸收調製雷射器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)對溫度穩定性的要求很高，並朝著小型化和高密度化方向發展。EML雷射器是第一種大量生產的銦鎵砷磷(InGaAsP)光電集成器件。它是在同一半導體晶片上集成雷射器光源和電吸收外調製器，具有驅動電壓低、功耗低、調製帶寬高、體積小，結構緊湊等優點，比傳統DFB雷射器更適合於高速率、長距離的傳輸。
EML雷射器的輸出波長、電流閾值、最大輸出功率和最小功率的波動都直接受工作溫度的影響。同時，光源的啁啾聲受限於光通道的最大允許色散，雖然光纖放大器可延長信號傳輸距離，但色散值隨傳輸距離的線性累積與光纖放大器無關，因此只能對光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接調製雷射器遠遠滿足不了系統對光源性能的要求，就目前技術而言，最簡單的方法是使用帶溫度控制的電吸收雷射源。
本設計方案採用體積小且易於控制的熱電製冷器(ThermoElectric Cooler，TEC)作為製冷和加熱器件，並採用高精度的負溫度係數熱敏電阻(NTC)作為溫度傳感器，以MCU為控制核心，對EML雷射器進行精密溫度控制。EML的內部結構框圖如圖1所示。虛線框內，上面的二極體負責監控雷射器和控制開關，下面的二極體控制背光電流。

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1 基於TPS63000的TEC控制電路設計
1．1 TEC的原理分析
TEC製冷器又稱半導體製冷器。電荷載體在導體中運動形成電流，當直流通過兩種不同的導體材料，接觸端上將產生吸熱或放熱現象，稱為帕爾貼效應。TEC熱電製冷器正是利用了帕爾貼效應實現製冷或制熱，具有無噪聲、無磨損、無汙染、製冷(熱)速度快、可靠性高、體積小、控制調節方便等特點。
目前，大多數EML雷射器內部都集成有TEC和熱敏電阻，但其控制電路需採用專用晶片或自行設計，否則雷射器不能正常工作。常用的TEC控制電路包括2個PWM降壓變換器、4個開關(S1～S4)、2個二極體(D1和D2)、2個濾波電感(L1和L2)、2個電容(C1和C2)。TEC與電容C1並聯分別接PWMl和PWM2降壓變換器，PWMl和PWM2產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用於Maxim公司的MAX8521、MAXl968以及Linear公司的LTC1923晶片中，主要存在以下的缺點：
①EMI較大。控制電路中的兩個濾波電感會對周圍產生電磁幹擾，且濾波電感的迴路阻抗易發生突變而導致產生尖銳的脈衝。
②外圍電路器件數量龐大。溫度的反饋信號以及其參數設置均採用模擬電路，從而使應用的成本和複雜性增加，TEC工作參數的設置不靈活。
③TEC的溫控精度不高。由於採用的是模擬的控制方式，外接誤差積分的運算放大器以及數／模轉換器的量化誤差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。
④模式切換較複雜。控制電路在雙PWM降壓變換器驅動模式下採取模擬的控制方式，沒有運行模式選擇功能。
1．2 硬體電路結構設計
本文設計了一種基於TPS63000的TEC控制電路，採用數字式PID控制，具有溫控精度高、外圍電路簡單、執行部件的轉換效率高等優點。
TI公司的TPS63000是一款升降壓電源管理晶片，DC／DC轉換器可在1．8～5．5 V的寬電壓範圍內實現高達96％的效率。該晶片在降壓和升壓模式之間可自動轉換，同時支持電流流入模式。在降壓模式下電壓為3．3 V輸出時，輸出電流最大可達1200 mA；在升壓模式下電壓為3．3 V或5 V輸出時，輸出電流最大可達800 mA。
根據CyOptics公司的10 Gb／s Cooled EML的使用手冊可知，雷射器的可操作溫度範圍在-40～90℃，TEC熱電製冷器的電流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，中心波長的範圍為1530～1565 nm，且溫度每變化1℃波長偏移不得
超過0．13 nm。
結合雷射器的具體指標，要做到對TEC溫度的精確控制，可分為以下3步：
①熱敏電阻實時監控溫度；
②TEC上電流方向實現製冷和加熱；
③PID控制準確、快速、穩定地控制TEC電流。
TEC控制系統是一個典型的閉環反饋控制系統，其結構如圖2所示。


EML內部集成的高靈敏度NTlC熱敏電阻，溫度特性波動小、對各種溫度變化響應快，材料一般為薄膜鉑電阻。電阻的阻值與溫度的關係是非線性的，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。
熱敏電阻作為傳感器探測雷射器內部溫度，並將溫度轉換為自身阻值的變化，然後由溫度控制電路將電阻的變化轉換為電壓的變化，其轉換精度決定了測溫的精度。轉換後電壓值的大小決定TEC LOOP電路的電流的流向(流入還是流出)，以此來實現TEC控制電路的製冷或制熱。

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