设计一个高性能的TEC控制器

在光通信系统中，二极管激光器主要用作发射机中的信号源或用作光放大器中的能源，它们的操作直接影响整个系统的性能。仅在恒定温度下，二极管激光器才能稳定运行，否则，其输出波长和功率效率将发生巨大变化。

特别地，密集波分复用（DWDM）系统将大量不同波长的激光束组合在一起，并将组合的激光束注入单根光纤中。每个激光器的波长需要均匀地放置在光纤的低衰减波长窗口内，以便光纤另一端的光解复用器可以将每个激光束与其他激光束区别开，而不会发生串扰。由于激光束的波长随激光温度而变化，因此对于这些DWDM系统而言，保持准确，稳定的激光温度是至关重要的任务。

在掺b光纤放大器（EDFA）中，二极管激光器被用作能源，即所谓的泵浦激光器。激光温度需要保持恒定，以使激光功率稳定并使噪声最小。

此外，电信系统中使用的许多无源光学组件（例如滤波器，阵列波导（AWG））对其温度敏感。为了稳定其光学参数，需要对这些部件的温度进行良好的控制。

因此，温度控制是当今光学电信系统设计中的重要任务。

TEC –热/冷发生器

TEC（热电冷却器）可以利用珀尔帖效应产生热量和热量。与其他热/冷发生器相比，TEC具有许多优点：易于控制温度，体积小，无噪音，无活动部件，使用寿命长等。所有这些对于电信组件而言都是至关重要的。

TEC有两个侧面，当向TEC施加DC电压时，导致DC电流沿一个方向流动，这两个侧面中的一侧会变热，而另一侧会变冷。反转电压将使热传递方向反向-现在第一面变冷，第二面变热。实际上，制造商将“热”侧和“冷”侧命名为：当电流流入TEC的指定正端子（另一个端子称为负端子）时，变热称为“热”面，而变冷的称为“冷”面。这样，尽管有时有时将一侧用于生产“冷”面，但始终将其称为“热”面。“冷”面也是如此。通常，

当产生冷时，当电流流入正极时，TEC将热量从冷侧移至热侧。电流越高，发热量越大。在此过程中，两侧都会产生热量。当电流增加到一定水平时，冷侧电流产生的热量等于热量从冷侧移走，冷侧温度停止下降，即TEC的热输出功率变为零。

TEC的两个主要参数是其最大电流和最大电压。它们的定义是：热缩短TEC的热侧和冷侧，使TEC输出最大的热流的电流就是最大电流。最大电流下TEC两端的电压为最大电压。

当TEC的电流小于最大值时，电流越大，输出到热负载的热功率就越大。因此，可以通过流过TEC的电流的大小和方向来控制目标设备的温度。

TEC的尺寸为2mm×2mm×1.5mm至50mm×50mm×4mm。在电信组件中发现的大多数TEC的尺寸从5mm×5mm×2mm到10mm×10mm×3mm。热输出功率范围为0.5W至16W。在电信系统中，最大TEC电压范围为1伏至5伏。

假设系统中的每个组件都是理想的，则目标上的温度可以保持在0.00001°C之内。在光发射器应用中，所需的温度稳定性范围为±0.02°C至±0.1°C，具体取决于激光器和波长间隔要求。在EDFA应用中，所需的温度稳定性通常为±0.2°C至±0.5°C。对于无源光学组件，稳定性要求范围更广：±0.001°C至±5°C。

控制TEC

图1显示了控制TEC所需的基本功能块。第一个元素是温度传感器，用于测量安装在TEC冷侧的目标的温度。电信组件中最常用的温度传感器是温度敏感电阻器，即所谓的热敏电阻。热敏电阻的电阻随着温度的升高而减小。热敏电阻的电阻被转换成代表所测目标温度的电压。外部电压，代表设定点温度通过运算放大器将目标温度（即期望的目标温度）与目标温度电压进行比较，从而产生误差电压。该误差电压由高增益放大器放大，以补偿由目标和TEC冷侧板的热质量引起的相位滞后，然后驱动H桥输出。H桥控制TEC电流的大小和方向。当目标温度低于设定点温度时，H桥沿一定方向和大小驱动TEC，从而使目标温度升高。当目标温度高于设定点温度时，H桥将通过降低甚至反转TEC电流来降低目标温度。控制回路稳定后，TEC电流的大小和方向就正确了，

 

 

 

图1. TEC控制器的框图。

热敏电阻具有灵敏度高，体积小，成本低的优点。对于高绝对精度应用，热敏电阻具有长期漂移高（±0.1°C /年）和绝对误差高（±1％）的缺点。其他类型的温度传感器，例如RTD，一种基于铂电阻的器件，可用于要求较低漂移和较小误差的应用。

TEC控制器可以根据输出级的工作模式进行分类：线性模式和开关模式。线性模式TEC控制器的设计和制造更为简单，但具有非常低的功率效率（从20％到40％不等）的缺点。TEC控制器的开关模式H桥具有高功率效率的优势，但需要两个高功率电感器和低ESR电容器来形成输出滤波器。由Analog Devices，Inc.制造的ADN8830在H桥中使用一个线性模式和一个开关模式输出级。这种结构将高功率笨重滤波组件的数量减少了一半，同时将功率效率提高到90％以上。此外，ADN8830包含图1所示的所有控制功能块，从而提供了一种IC TEC控制器解决方案。

高效的TEC控制器为系统带来了多项优势：

• 产生更少的热量–减少了将热量排放到外部的需要。
• 消耗更少的功率–降低了电源的功率需求并降低了成本。
• 在较低的温度下运行–提高了控制器的可靠性。
• 无需散热器–减小了封装尺寸并降低了成本。

设计高性能TEC控制器

最佳的TEC控制器应针对这些主要规格具有最佳组合：高温稳定性，高功率效率，低TEC纹波电流，易于接口和监控，所需PCB面积小，故障检测和指示以及低成本。为了实现这样的设计，必须很好地理解和做出所有这些主要参数之间的权衡。

开关频率

为了实现高效率，必须选择开关模式输出级。开关频率需要正确设置。将开关频率设置为高允许在输出滤波器中使用较小的电感器和电容器，从而降低成本和所需的PCB空间。图2显示了随着开关频率的增加，系统成本如何降低。图3显示了PCB面积如何随着开关频率的增加而减小。但是，较高的开关频率将产生较高的EMI（电磁干扰）噪声和较低的功率效率。

 

 

 

图2. PCB空间与开关频率的关系

 

 

 

图3.系统成本与开关频率。

效率

如上所述，高效率为系统带来了许多优势。但是，对于开关模式TEC控制器，可以以一定的成本实现高效率。

几个因素决定了效率。这些是限制效率的功率损耗因素：

• 驱动器功率损耗。这是在开关模式输出级驱动两个开关的栅极所需的功率。它与开关频率成正比，即，当开关频率加倍时，驱动器功率损耗将加倍。可以通过降低开关频率和/或选择低输入电容的开关来降低它。
• 电感器和开关MOSFET中的输出电容性负载损耗，即在开关模式级的输出端驱动输出电容器引起的损耗。该损耗也与频率成正比，可以通过使用低输入电容电感器和低输出电容开关MOSFET来降低。
• 铁损。它由电感器磁芯中的磁滞损耗和涡流损耗组成。对于使用铁氧体磁芯的高频功率电感器，这两个损耗在低于500kHz的频率下都很低，但是随着开关频率接近1MHz时，损耗会迅速增加。选择使用高频铁氧体磁芯的电感器可以减少这种损耗。
• 切换台Ron损失。开关传导电流时，由其电阻引起的损耗。使用低Ron MOSFET将降低此损耗。
• 输出电感器DCR损耗。当输出滤波电感器传导交流和直流电流时，其直流电阻引起的损耗。使用低DCR的电感器会减少此损耗，但电感器的尺寸会增大。

 

 

 

图4.效率与开关频率的增加。

与使用完全对称的H桥的开关输出架构不同，新产品设计策略（例如一种与ADI公司的ADN8830 TEC控制器一起使用（已获得专利））将桥的一侧以线性模式使用，另一侧以开关模式使用，以提高输出效率。 。线性和开关输出级的这种组合将输出纹波电流减小了两倍，减少了外部组件数量，但提高了效率。当处于大信号运行状态时，线性模式输出级将根据TEC是在加热模式还是在冷却模式工作，在饱和到电源轨之一的“开关模式”下工作，以提高效率。在小信号操作中，线性模式输出级将以线性模式操作，以在加热模式和冷却模式之间提供平稳的过渡。

准确性和长期稳定性

如果热敏电阻是理想的无误差器件，则温度精度将仅取决于输入误差放大器的失调。

需要考虑两个温度稳定性：短期稳定性和长期稳定性。短期稳定性定义为相对于TEC控制器的环境温度变化的目标温度变化（以°C /°C为单位）。目标温度变化是由环境温度变化引起的输入失调电压漂移引起的。长期稳定性定义为目标温度随时间变化（以°C /年为单位）。与上述相同，该目标温度变化通常源于偏移电压随时间的变化，通常需要数年时间。

如果单芯片TEC控制器在前端使用自动调零放大器，其失调电压约为1µV，并且不会随时间或温度而漂移，那么它可以实现最终的温度精度和优于±0.01的长期稳定性。 ℃。

噪声性能–纹波电流

如果输出滤波电容器和输出电感器保持相同的值，则降低开关频率将提高功率效率，并且还会增加流经TEC控制器的纹波电流。为了将纹波电流限制在一定限度以下，开关频率必须足够高，因此必须牺牲一些TEC控制器的效率。图5显示，对于给定的纹波电流，所需的电感和电容随开关频率的增加而减小。

 

 

 

图5.电感和电容与开关频率的关系

对于大多数应用而言，典型的电感值为4µH，可维持1.5A的TEC电流和500KHz的默认开关频率，从而使输出电压纹波维持在1％以下。采用非对称架构（即ADN8830）设计的TEC控制器将纹波电流降低了一半。

补偿网络优化-稳定性与响应速度

补偿网络会影响响应速度和温度稳定性。为了实现高响应速度（即建立时间短）和高温稳定性，网络需要精确匹配热负荷。但是，这样做并非易事。精确匹配的补偿网络为热控制回路的稳定性留出了较少的余量。保守补偿的网络会导致更长的建立时间，但可以容忍TEC驱动电流和温度传感器之间的热传递特性发生更多变化。

一些单芯片TEC控制器使用外部补偿网络，并且仅需要几个电阻器和电容器。设计人员可以根据其热负载特性调整补偿网络，从而获得最佳的温度稳定时间和稳定性裕度。

多TEC操作-与其他TEC控制器的接口

TEC控制器可以组合在一起以控制多个TEC，即多控制器操作。开关频率需要同步，但是开关相位需要交错。交织开关相位可以使施加在电源线上的开关纹波电压最小。

在多控制器操作中，上电过程应该是顺序的。打开一个TEC控制器，然后等待温度就绪引脚变为TRUE，表明目标温度等于设定点温度。然后打开下一个TEC。这样，电源将不会出现大电流尖峰。因此，频率同步和相位交织控制功能必将为此类系统设计增加价值。准备好温度是几乎所有应用程序的另一个有用功能。

控制，监控和保护

TEC控制器可以单独使用，也可以进行广泛的控制和监视。需要根据系统需求设置控制和监视范围。这些是经常控制的参数：目标温度，TEC最大电流，TEC控制器关闭等。这些是可以监视的参数：目标温度，TEC电流，TEC电压，温度就绪指示等。

为了使系统可靠运行，有效指示系统故障非常重要。保护热敏电阻和TEC的开路或短路至关重要。限流和限压功能对于确保系统可靠也很重要。

结论

控制TEC给设计人员带来了许多挑战。系统芯片包括控制TEC所需的大多数功能，因此可将许多挑战降至最低。同时，它降低了成本和PCB空间，提高了效率和可靠性，从而实现了最佳的TEC控制功能。选择合适的TEC控制器芯片将有助于工程师实现高性能设计。