采用MAX8521进行紧凑型DWDM激光器温度控制

使用MAX8520/21和单通道运算放大器，可以为DWDM（密集波分复用）激光模块提供完整且非常紧凑的热控制方案。由于DWDM在一根光纤上使用多个激光器，因此需要仔细控制激光器输出频率。这种设计可以轻松提供 25GHz 信道间隔所需的性能水平，使其成为从事 DWDM 光纤系统设计人员的理想基础。

使用MAX8520/21和单通道运算放大器，可以为DWDM（密集波分复用）激光模块提供完整且非常紧凑的热控制方案。由于DWDM在一根光纤上使用多个激光器，因此需要仔细控制激光器输出频率。具有1548GHz信道间隔的25nm DWDM系统要求激光频率保持在25GHz频段的中心。激光模块必须通过改变其工作温度调谐到中频带，然后在所有时间和环境变化中保持。由于激光驱动器通常可以改变0.1nm/°C（25GHz/°C），因此需要稳定性至少为±0.1°C的温度控制器。这使调制后的激光光谱保持在频段的中心（±2.5GHz），并将信道串扰限制在最低限度。Venders承诺在单根光纤上多达160个通道。

由于激光模块必须通过将其工作温度从 15°C 更改为 35°C 来设置为其中频，并且环境温度可以在 0°C 到 70°C 之间变化，因此控制器必须能够加热和冷却。帕尔贴热电冷却器 （TEC） 可以执行此功能，但冷却器的电源驱动器必须能够双向（加热和冷却）操作。此外，在从加热模式过渡到冷却模式期间，驾驶员不得出现死区或搜寻。MAX8520/21为双向电源驱动器，能够提供高达1.5 A的电流和灌电流。MAX8520/21在激光模块内带有温度监测器（10kΩ热敏电阻）和单运放，可将比例积分差分（PID）控制器作为热调节环路实现。电路块如图1所示。完整的原理图和器件列表可在本应用笔记末尾找到。

图1.热控制回路框图。

在本电路中，JU4可配置DAC（数模转换器）或电位计来设置基准温度电压。然后，运算放大器将温度基准电压与热敏电阻电压进行比较，并将差值放大并馈入MAX8520/21。MAX8520/21输出电流以减小运算放大器检测的误差，从而完成环路。由于MAX8520/21需要CTLI的±1.5 V信号才能产生±1.5 A电流，因此运算放大器必须根据输入端的温度误差产生该信号。将温度限值设置为±0.1°C，并知道热敏电阻灵敏度为14mV/1°C，我们可以计算所需的运算放大器增益。

当
0.1°C * 14mV/1°C = 1.4mV时，

由于1.4mV * 增益 = 1.5V

运算放大器增益必须至少为1.1K。

通过选择50kΩ作为运算放大器反相引脚的输入电阻，10uF积分电容的阻抗必须至少为50MΩ。必须仔细选择元件和布局以保证这种增益。Taiyo Yuden 指定大于 1μF 的电容器为 1GΩ/μF。对于10μF，这相当于100MΩ。典型的测量值要高得多，但如果没有适当的布局和组装技术，水分或助焊剂很容易抵消实现高阻抗电路性能的努力。在0°C的环境箱中进行测试会导致水凝结并降低电路性能。PCB（印刷电路板）上的漏电流也会在此阻抗水平上产生问题。因此，建议在运算放大器的反相输入及其相关元件周围放置一个保护环。该保护环的位置如图 2 所示。

图2.保护环的印刷电路板布局。

保护环的功能如下。由于DAC输出电压与运算放大器的反相输入电压相似，因此保护环和求和结及其在环内的相关元件之间基本上没有电位差。环形拦截外部表面漏电流，由DAC的低阻抗分流。低阻抗环保护（或“保护”）高增益求和节点免受漏电流的影响。保护环走线越宽，效果越大。DAC输出电位的接地层也应放置在敏感电路元件正下方的层上。即使使用保护环，水和其他表面污染仍然会降低电路性能。作为最终措施，组装后应在清洁和干燥的PCB及其组件上涂上丙烯酸基保形涂层.如果指定了，PCB组装商可以将其应用于组装的电路板.

运算放大器产生误差信号后，MAX8520/21将CTLI输入端的误差电压转换为双极性输出电流。MAX8520/21的压控输出电流有助于控制有害的电流浪涌，并提供可编程的电流限值。输出电流和电压限值可通过外部电阻器独立设置。MAX8520/21具有20个功率MOSFET，集成在小型8520引脚QFN封装和超小型UCSP™封装中。废热通过芯片底部的裸露金属焊盘排出，然后将其焊接到PCB上的铜接地层上。MAX21/<>的高开关频率也有助于减小外部元件尺寸。

由于TEC模块的热时间常数很长，因此控制回路也必须很慢才能保持稳定性。选择PID环路的元件以提供1Hz单位增益交越。虽然该环路的直流增益设置稳态性能，但环路的交流增益带宽定义了瞬态响应。实现最高的稳定增益带宽将产生最快的瞬态响应，我们知道，随着时间的推移，积分器将成倍地减少环路误差。

虽然在无限增益下，PID环路的稳态误差确实为零，但在瞬态情况下，例如系统预热，环路增益远小于无限。这在下面图3的热图中显示。图3显示了TEC系统对温度阶跃变化的响应。对于此测试，模块的内部激光温度设置为 25°C （Vtherm = 0.75V）。外部温度在25分钟内从45°C变为20°C（1°C/分钟），然后保持40分钟。最后，它以 25°C/分钟的速度斜坡回到 1°C。从图3中，我们可以确定这种瞬态变化的热误差为200μV Pk至Pk，或15m°C或±7.5m°C。 在保持期结束时，稳态误差小于50μV Pk至Pk，远小于瞬态误差。需要注意的是，本报告中的热数据表明控制系统可以精确地调节热敏电阻的温度，这可能不能准确代表激光温度或产生的光波长。

图3.十二小时带状图显示控制回路的热性能。

图4显示了系统对三种不同外部温度斜坡（每分钟1度、0.7度和0.3度）的响应。在此测试中，模块的内部温度设置为35°C（Vtherm = 0.592V）。重要的是要注意，准确的温度测量必须经过很长时间才能稳定下来。事实上，如果有足够的时间解决，该图将遵循图 4 的三个速率的中心。图5与图4相同的测试，内部激光温度设置为15°C（Vtherm = 0.916V）。

图4.三种不同温度变化率的热回路性能，模块设置为35°C。

图5.三种不同温度变化率的热回路性能，模块设置为15°C。

在进行热测试时，重要的是要注意水会在降低电路性能方面发挥重要作用。在0°C及以下的水下结冰，对电路没有影响。然而，当温度升高时，冰融化，水会导致泄漏电流，从而降低热性能。如上所述，在电路上涂上丙烯酸基保形涂层可以帮助改善这种情况。

图6显示了长期（8小时）稳定性图。该图显示最大热误差为25μV或1.8m°C。 该测试是使用电压表完成的，每 10 秒读取一次读数，因此测试带宽有限。本测试显示的出色稳定性的一个关键原因是MAX4238斩波稳定运算放大器，斩波稳定可将失调和漂移降至最低。此外，运算放大器的关断引脚与MAX8521的使能引脚并联配置。这样做是为了限制与PID积分电容从电源轨电位开始相关的启动浪涌。由于MAX4238在关断模式下具有高输出阻抗，MAX8521的CTLI引脚将运算放大器输出和积分电容（C16）充电至1.5 V，或通过TEC模块的电流为零。这非常有助于限制启动浪涌，否则会迫使TEC模块吸收全电流，直到积分电容器放电（20Sec）。

图6.长期稳定性图（最大误差0.0018°C）。

显然，DWDM光纤系统将取代单波长系统。大多数供应商从100GHz间隔开始，并计划使用25GHz信道间隔。Maxim集成产品的MAX8520/21可轻松提供25GHz信道间距所需的性能水平，是设计人员从事DWDM光纤系统的理想基础。Maxim还能够提供采用超小型UCSP封装的MAX8521，该封装足够小，可以集成在激光器模块中，从而进一步节省空间。

图7.

图8.

审核编辑：郭婷