熱電致冷的激光器溫度控制電路設(shè)計(jì)

引言
    在光通信領(lǐng)域中，用于高速、長距離通信的電吸收調(diào)制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)對溫度穩(wěn)定性的要求很高，并朝著小型化和高密度化方向發(fā)展。EML激光器是第一種大量生產(chǎn)的銦鎵砷磷(InGaAsP)光電集成器件。它是在同一半導(dǎo)體芯片上集成激光器光源和電吸收外調(diào)制器，具有驅(qū)動電壓低、功耗低、調(diào)制帶寬高、體積小，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)DFB激光器更適合于高速率、長距離的傳輸。
    EML激光器的輸出波長、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，光源的啁啾聲受限于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(guān)，因此只能對光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接調(diào)制激光器遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了系統(tǒng)對光源性能的要求，就目前技術(shù)而言，最簡單的方法是使用帶溫度控制的電吸收激光源。
    本設(shè)計(jì)方案采用體積小且易于控制的熱電制冷器(ThermoElectric Cooler，TEC)作為制冷和加熱器件，并采用高精度的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)作為溫度傳感器，以MCU為控制核心，對EML激光器進(jìn)行精密溫度控制。EML的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。虛線框內(nèi)，上面的二極管負(fù)責(zé)監(jiān)控激光器和控制開關(guān)，下面的二極管控制背光電流。

1 基于TPS63000的TEC控制電路設(shè)計(jì)
1．1 TEC的原理分析
    TEC制冷器又稱半導(dǎo)體制冷器。電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動形成電流，當(dāng)直流通過兩種不同的導(dǎo)體材料，接觸端上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，稱為帕爾貼效應(yīng)。TEC熱電制冷器正是利用了帕爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷或制熱，具有無噪聲、無磨損、無污染、制冷(熱)速度快、可靠性高、體積小、控制調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)。
    目前，大多數(shù)EML激光器內(nèi)部都集成有TEC和熱敏電阻，但其控制電路需采用專用芯片或自行設(shè)計(jì)，否則激光器不能正常工作。常用的TEC控制電路包括2個PWM降壓變換器、4個開關(guān)(S1～S4)、2個二極管(D1和D2)、2個濾波電感(L1和L2)、2個電容(C1和C2)。TEC與電容C1并聯(lián)分別接PWMl和PWM2降壓變換器，PWMl和PWM2產(chǎn)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(yīng)用于Maxim公司的MAX8521、MAXl968以及Linear公司的LTC1923芯片中，主要存在以下的缺點(diǎn)：
    ①EMI較大?？刂齐娐分械膬蓚€濾波電感會對周圍產(chǎn)生電磁干擾，且濾波電感的回路阻抗易發(fā)生突變而導(dǎo)致產(chǎn)生尖銳的脈沖。
    ②外圍電路器件數(shù)量龐大。溫度的反饋信號以及其參數(shù)設(shè)置均采用模擬電路，從而使應(yīng)用的成本和復(fù)雜性增加，TEC工作參數(shù)的設(shè)置不靈活。
    ③TEC的溫控精度不高。由于采用的是模擬的控制方式，外接誤差積分的運(yùn)算放大器以及數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的量化誤差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。
    ④模式切換較復(fù)雜?？刂齐娐吩陔pPWM降壓變換器驅(qū)動模式下采取模擬的控制方式，沒有運(yùn)行模式選擇功能。
1．2 硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)了一種基于TPS63000的TEC控制電路，采用數(shù)字式PID控制，具有溫控精度高、外圍電路簡單、執(zhí)行部件的轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
TI公司的TPS63000是一款升降壓電源管理芯片，DC／DC轉(zhuǎn)換器可在1．8～5．5 V的寬電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)96％的效率。該芯片在降壓和升壓模式之間可自動轉(zhuǎn)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(dá)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(dá)800 mA。
    根據(jù)CyOptics公司的10 Gb／s Cooled EML的使用手冊可知，激光器的可操作溫度范圍在-40～90℃，TEC熱電制冷器的電流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，中心波長的范圍為1530～1565 nm，且溫度每變化1℃波長偏移不得
超過0．13 nm。
    結(jié)合激光器的具體指標(biāo)，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(shí)時監(jiān)控溫度；
    ②TEC上電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷和加熱；
    ③PID控制準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定地控制TEC電流。
    TEC控制系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    EML內(nèi)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(yīng)快，材料一般為薄膜鉑電阻。電阻的阻值與溫度的關(guān)系是非線性的，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(shù)。
    熱敏電阻作為傳感器探測激光器內(nèi)部溫度，并將溫度轉(zhuǎn)換為自身阻值的變化，然后由溫度控制電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，其轉(zhuǎn)換精度決定了測溫的精度。轉(zhuǎn)換后電壓值的大小決定TEC LOOP電路的電流的流向(流入還是流出)，以此來實(shí)現(xiàn)TEC控制電路的制冷或制熱。
    圖3為設(shè)計(jì)的TEC LOOP電路。

    在TPS6300X系列芯片中，為了更好地控制輸出電壓VOUT，通常用FB引腳電壓值的變化來感知輸出電壓V(OUT值的變化，這就意味著FB引腳要和VOUT引腳直接相連。
   
    可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC。其中，K1、K2為常量，VDAC為MCU的控制電壓。通過對輸出電壓VOUT值的控制，當(dāng)電流由ITEC(+)流向ITEC(-)時，激光器將制冷，反之制熱。
    在這個可調(diào)節(jié)的電壓輸出系統(tǒng)中，要調(diào)節(jié)VOUT值，還要用一個外部的分壓電阻連接在FB、VOUT和GND之間。為了能正常地調(diào)節(jié)VOUT值，V-FB值最大不超過500 mA，IFB不超過0．01μA，RB的阻值小于500 kΩ。分壓電阻RA阻值由VFB、YOUT和RB確定。
1．3 TEC LOOP控制算法
    PID(Proportional Integral Derivative)控制是一種線性的調(diào)節(jié)，即比例、積分、微分控制。PID控制有模擬PID和數(shù)字PID控制兩種，通常依據(jù)控制器輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，將基本數(shù)字PID算法分為位置式PID和增量式PID。本文中TEC LOOP控制采用了適合于溫度控制的位置式PID控制算法。該算法原理簡單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運(yùn)用于計(jì)算機(jī)輔助測量，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)。圖4是TEC LOOP的控制模型。

    該控制模型的控制表達(dá)式為：
   
    其中，Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，Ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)，Kd為微分調(diào)節(jié)系數(shù)，e(k)為每次采樣值與目標(biāo)值的差值，u(k)為每次計(jì)算后用于調(diào)整溫度的DAC值。模型中的反饋部分是將24位DAC的采樣值轉(zhuǎn)換成溫度，當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度的差值通過PID算法計(jì)算出當(dāng)前需要調(diào)整的DAC值，從而來實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    基于以上設(shè)計(jì)的TEC控制電路，分別對4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三種溫度下進(jìn)行3．3(1±10％)V的一些性能指標(biāo)測試，測試的激光器是在循環(huán)箱中進(jìn)行，表1為其中波長和光發(fā)射功率的具體測量數(shù)據(jù)。

    從表中可以看出，當(dāng)TEC控制在42℃，4只EML激光器分別工作在-10℃、25℃、75℃時，中心波長的偏移均不超過0．2 nm，光功率的變化在±1 dB之內(nèi)。根據(jù)CyOptics公司的lO Gb／s Cooled EML的使用手冊可知，光功率、中心波長完全滿足TDM(時分復(fù)用)的要求，波長的變化范圍也可以滿足WDM(波分復(fù)用)應(yīng)用需求。

結(jié)語
    本文所設(shè)計(jì)的基于TPS63000的溫度控制電路，已成功應(yīng)用在CyOptics公司的EML激光器中。實(shí)際使用證明：該電路可以有效地對TEC的溫度進(jìn)行控制，能夠使EML激光器長期、穩(wěn)定地工作在設(shè)定溫度下。此模塊工作溫度寬、集成度高、成本低，經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以適用于大多數(shù)集成光通信系統(tǒng)。