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(zhǎng)距離通信的電吸收調(diào)制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)對(duì)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(dòng)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(zhǎng)距離的傳輸。
EML激光器的輸出波長(zhǎng)、電流閾值、最大輸出功率和最小功率的波動(dòng)都直接受工作溫度的影響。同時(shí)，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(zhǎng)信號(hào)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(wú)關(guān)，因此只能對(duì)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(duì)光源性能的要求，就目前技術(shù)而言，最簡(jiǎn)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(duì)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(kāi)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(dòng)形成電流，當(dāng)直流通過(guò)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(wú)噪聲、無(wú)磨損、無(wú)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(gè)PWM降壓變換器、4個(gè)開(kāi)關(guān)(S1～S4)、2個(gè)二極管(D1和D2)、2個(gè)濾波電感(L1和L2)、2個(gè)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。控制電路中的兩個(gè)濾波電感會(huì)對(duì)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(hào)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。控制電路在雙PWM降壓變換器驅(qū)動(dòng)模式下采取模擬的控制方式，沒(méi)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(jiǎn)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(dòng)轉(zhuǎn)換，同時(shí)支持電流流入模式。在降壓模式下電壓為3．3 V輸出時(shí)，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(shí)，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(cè)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(guò)100μA，中心波長(zhǎng)的范圍為1530～1565 nm，且溫度每變化1℃波長(zhǎng)偏移不得
超過(guò)0．13 nm。
結(jié)合激光器的具體指標(biāo)，要做到對(duì)TEC溫度的精確控制，可分為以下3步：
①熱敏電阻實(shí)時(shí)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(gè)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(dòng)小、對(duì)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(cè)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(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)TEC控制電路的制冷或制熱。