采用TPS63000的EML激光器温度控制电路的设计与应用

引言

在光通信领域中，用于高速、长距离通信的电吸收调制激光器（Electlro-absorption Modulated Laser,EML）对温度稳定性的要求很高，并朝着小型化和高密度化方向发展。EML激光器是第一种大量生产的铟镓砷磷（InGaAsP）光电集成器件。目前宽带城域网（BMAN）正成为信息化建设的热点，DWDM（密集波分复用）的巨大带宽和传输数据的透明性，无疑是当今光纤应用领域的首选技术。然而，MAN等具有传输距离短、拓扑灵活和接入类型多等特点，如照搬主要用于长途传输的DWDM,必然成本过高；同时早期DWDM对MAN等灵活多样性也难以适应。面对这种低成本城域范围的宽带需求，CWDM（粗波分复用）技术应运而生，并很快成为一种实用性的设备。 对光通信来说，其技术基本成熟，而业务需求相对不足。以被誉为"宽带接入最终目标"的FTTH为例，其实现技术EPON已经完全成熟，但由于普通用户上网需要的带宽不高，使FTTH的商用只限于一些试点地区。但是，在2006年，随着IPTV等三重播放业务开展，运营商提供的带宽已经不能满足用户对高清晰电视的要求，随之FTTH的部署也提上了日程。无独有偶，ASON对传输网络控制灵活，可为企业客户提供个性化服务，不少运营商为发展和维系企业客户，不惜重金投资建设ASON.

EML激光器的输出波长、电流阈值、最大输出功率和最小功率的波动都直接受工作温度的影响。同时，光源的啁啾声受限于光通道的最大允许色散，虽然光纤放大器可延长信号传输距离，但色散值随传输距离的线性累积与光纤放大器无关，因此只能对光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接调制激光器远远满足不了系统对光源性能的要求，就目前技术而言，最简单的方法是使用带温度控制的电吸收激光源。

本设计方案采用体积小且易于控制的热电制冷器（ThermoElectric Cooler,TEC）作为制冷和加热器件，并采用高精度的负温度系数热敏电阻（NTC）作为温度传感器，以MCU为控制核心，对EML激光器进行精密温度控制。EML的内部结构框图如图1所示。虚线框内，上面的二极管负责监控激光器和控制开关，下面的二极管控制背光电流。

1 基于TPS63000的TEC控制电路设计

1.1 TEC的原理分析

半导体致冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与致冷原理。   是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。一对电偶产生的热电效应很小，故在实际中都将上百对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际的致冷器。如果在应用中需要的制冷或加热量较大，可以使用多级半导体致冷器，对于常年运行的设备，增大致冷元件的对数，尽管增加了一些初成本，但可以获得较高的制冷系数。

TEC的用途非常广泛，最典型的应用是激光器的温控和PCR的温控。众所周知，激光器对于温度是非常敏感的，因此对TEC的要求非常高。有些甚至要求将TEC和激光器同时采用TO封装，这就要求TEC的体积非常小。能满足此要求的公司也不多，德国的Micropelt公司是一个代表。其采用最先进的薄膜技术，并使用MEMS（微电机系统）进行加工，从而得到体积非常小的TEC.

目前，大多数EML激光器内部都集成有TEC和热敏电阻，但其控制电路需采用专用芯片或自行设计，否则激光器不能正常工作。常用的TEC控制电路包括2个PWM降压变换器、4个开关（S1~S4）、2个二极管（D1和D2）、2个滤波电感（L1和L2）、2个电容（C1和C2）。TEC与电容C1并联分别接PWMl和PWM2降压变换器，PWMl和PWM2产生的输出直流电压为V1、V2.提供给TEC的电流ITBC=（V1-V2）/RTRC,RTEC为TEC两电极间的阻抗。这种控制电路典型应用于Maxim公司的MAX8521、MAXl968以及Linear公司的LTC1923芯片中，主要存在以下的缺点：

①EMI较大。控制电路中的两个滤波电感会对周围产生电磁干扰，且滤波电感的回路阻抗易发生突变而导致产生尖锐的脉冲。

②外围电路器件数量庞大。温度的反馈信号以及其参数设置均采用模拟电路，从而使应用的成本和复杂性增加，TEC工作参数的设置不灵活。

③TEC的温控精度不高。由于采用的是模拟的控制方式，外接误差积分的运算放大器以及数/模转换器的量化误差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。

④模式切换较复杂。控制电路在双PWM降压变换器驱动模式下采取模拟的控制方式，没有运行模式选择功能。

1.2 硬件电路结构设计

本文设计了一种基于TPS63000的TEC控制电路，采用数字式PID控制，具有温控精度高、外围电路简单、执行部件的转换效率高等优点。

TI公司的TPS63000是一款升降压电源管理芯片，DC/DC转换器可在1.8~5.5 V的宽电压范围内实现高达96%的效率。该芯片在降压和升压模式之间可自动转换，在降压模式下电压为3.3 V输出时，输出电流最大可达1200 mA;在升压模式下电压为3.3 V或5 V输出时，输出电流最大可达800 mA.

根据CyOptics公司的10 Gb/s Cooled EML的使用手册可知，激光器的可操作温度范围在-40~90℃，TEC热电制冷器的电流ITEC为-1.5~1.5 A,VTEC为-3.3~3.3 V,热敏电阻的电流ITHC不得超过100μA,中心波长的范围为1530~1565 nm,且温度每变化1℃波长偏移不得超过0.13 nm.

结合激光器的具体指标，要做到对TEC温度的精确控制，可分为以下3步：

①热敏电阻实时监控温度；

②TEC上电流方向实现制冷和加热；

③PID控制准确、快速、稳定地控制TEC电流。

TEC控制系统是一个典型的闭环反馈控制系统，其结构如图2所示。

EML内部集成的高灵敏度NTlC热敏电阻，温度特性波动小、对各种温度变化响应快，材料一般为薄膜铂电阻。电阻的阻值与温度的关系是非线性的，可用公式表示为：

R=RTO×EXP{B（1/T-1/TO）}

其中，T0为温度的初始值，B为热敏指数。

热敏电阻作为传感器探测激光器内部温度，并将温度转换为自身阻值的变化，然后由温度控制电路将电阻的变化转换为电压的变化，其转换精度决定了测温的精度。转换后电压值的大小决定TEC LOOP电路的电流的流向（流入还是流出），以此来实现TEC控制电路的制冷或制热。

图3为设计的TEC LOOP电路。

在TPS6300X系列芯片中，为了更好地控制输出电压VOUT,通常用FB引脚电压值的变化来感知输出电压V（OUT值的变化，这就意味着FB引脚要和VOUT引脚直接相连。

可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC.其中，K1、K2为常量，VDAC为MCU的控制电压。通过对输出电压VOUT值的控制，当电流由ITEC（+）流向ITEC（-）时，激光器将制冷，反之制热。

在这个可调节的电压输出系统中，要调节VOUT值，还要用一个外部的分压电阻连接在FB、VOUT和GND之间。为了能正常地调节VOUT值，V-FB值最大不超过500 mA,IFB不超过0.01μA,RB的阻值小于500 kΩ。分压电阻RA阻值由VFB、YOUT和RB确定。

1.3 TEC LOOP控制算法

PID（Proportional Integral Derivative）控制是一种线性的调节，即比例、积分、微分控制。PID控制有模拟PID和数字PID控制两种，通常依据控制器输出与执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID.本文中TEC LOOP控制采用了适合于温度控制的位置式PID控制算法。该算法原理简单，只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量，结构简单易于实现。图4是TEC LOOP的控制模型。

该控制模型的控制表达式为：

其中，Kp为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Kd为微分调节系数，e（k）为每次采样值与目标值的差值，u（k）为每次计算后用于调整温度的DAC值。当前温度与目标温度的差值通过PID算法计算出当前需要调整的DAC值，从而来实现温度的精确控制。

2 实验结果及分析

基于以上设计的TEC控制电路，分别对4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三种温度下进行3.3（1±10%）V的一些性能指标测试，测试的激光器是在循环箱中进行，表1为其中波长和光发射功率的具体测量数据。

从表中可以看出，当TEC控制在42℃，4只EML激光器分别工作在-10℃、25℃、75℃时，中心波长的偏移均不超过0.2 nm,光功率的变化在±1 dB之内。根据CyOptics公司的lO Gb/s Cooled EML的使用手册可知，光功率、中心波长完全满足TDM（时分复用）的要求，波长的变化范围也可以满足WDM（波分复用）应用需求。

结语

本文所设计的基于TPS63000的温度控制电路，已成功应用在CyOptics公司的EML激光器中。实际使用证明：该电路可以有效地对TEC的温度进行控制，能够使EML激光器长期、稳定地工作在设定温度下。此模块工作温度宽、集成度高、成本低，经过进一步优化设计还可以适用于大多数集成光通信系统。