光纤激光器中热电冷却器温度控制器工作原理

对增加带宽的持续需求导致部署基于光纤的网络。由固态激光器驱动的光纤线路具有非常高的信息密度。诸如DWDM（密集波分复用）​​的高度打包的数据方案利用多个激光器驱动光纤以获得大的多通道数据流。窄通道间隔依赖于激光波长控制在0.1nm（纳米）以内。激光能够做到这一点，但温度变化会影响操作。图1绘制了典型的激光波长与温度的关系图。 0.1nm /°C的斜率意味着虽然温度有助于调整激光波长，但一旦激光达到峰值，它就不能改变。通常，需要0.1°C的温度控制才能使激光器工作在0.1nm以内。

温度控制器要求

温度控制器必须满足一些不寻常的要求。 1 最值得注意的是，由于环境温度变化和激光器操作的不确定性，控制器必须能够提供或移除热量以保持控制。基于Peltier的热电冷却器（TEC）允许这样做，但控制器必须是真正的双向。它的热流控制在“热到冷”过渡区域不得有死区或不良动态。此外，温度控制器必须是一个精密设备，能够在0.1°C内保持良好的控制时间和温度变化。

基于激光的系统封装结构紧凑，需要小尺寸的解决方案，有效操作以避免过热耗散。

最后，控制器必须使用单个低压电源工作，并且其（可能是开关模式）操作不得使噪声损坏电源。

温度控制器详细信息 

图2，热电冷却器（TEC）温度控制器的示意图，包括三个基本部分。 DAC和热敏电阻形成一个桥，其输出由A1放大。 LTC1923控制器是一个脉冲宽度调制器，可为功率输出级提供适当的调制和相位驱动。激光器是一种电气微妙且非常昂贵的负载。因此，控制器提供各种监控，限制和过载保护功能。这些包括软启动和过流保护，TEC电压和电流检测以及“越界”温度检测。异常操作导致电路关闭，防止激光模块损坏。另外两个功能可提升系统级兼容性。基于锁相环的振荡器允许多激光器系统中多个LTC1923的可靠时钟同步。最后，向TEC的开关模式功率输送是有效的，但是需要特别考虑以确保不将开关相关噪声引入（“反射”）到主机电源中。 LTC1923具有边沿压摆限制功能，可通过减慢功率级的转换时间来最大限度地减少与开关相关的谐波。这大大降低了高频谐波含量，防止过多的开关相关噪声破坏电源或激光。 2 开关模式功率输出级，一种“H桥”型，允许高效的双向驱动TEC，允许加热或冷却激光。热敏电阻，TEC和激光器，在激光器模块内制造时封装，紧密热耦合。

DAC允许将温度设定点调整到任何单个激光器的最佳工作点，通常为每个激光器指定。控制器增益和带宽调整可优化热回路响应，以获得最佳温度稳定性。

热回路考虑因素

高性能温度控制的关键是将控制器的增益带宽与热反馈路径相匹配。从理论上讲，使用传统的伺服反馈技术来做这件事很简单。实际上，热系统中固有的长时间常数和不确定的延迟是一个挑战。伺服系统和振荡器之间的不幸关系在热控制系统中非常明显。

热控制回路可以非常简单地建模为电阻器和电容器网络。电阻器相当于热阻，电容器相当于热容量。在图3中，TEC，TEC传感器接口和传感器都具有RC因子，这些因素导致系统响应能力的集中延迟。为防止振荡，必须限制增益带宽以解决此延迟。由于高增益带宽对于良好控制是理想的，因此应该最小化延迟。这可能是激光模块在制造时的供应商所解决的。

该模型还包括受控环境与不受控制的环境之间的绝缘。绝缘的作用是保持损耗率，使温度控制装置能够跟上损耗。对于任何给定的系统，TEC传感器时间常数与绝缘时间常数之间的比率越高，控制回路的性能越好。 3

温度控制回路优化

温度控制回路优化始于激光模块的热特性。上一节强调了TEC传感器与绝缘时间常数之比的重要性。确定该信息可以实现可实现的控制器增益带宽。图4显示了典型激光模块在环境温度下经历40°C阶跃变化时的结果。激光模块的内部温度由其热敏电阻监控，与TEC无动力时间对时间作图。以分钟为单位测量的环境到传感器滞后显示了经典的一阶响应。

TEC传感器集总延迟的特点是操作图2电路中的激光模块，增益设置为最大值且未安装补偿电容。在LTC1923误差放大器输出端测量的图5显示了由于热滞后主导环路引起的大信号振荡。本演示文稿中包含大量有价值的信息。 4 主要由TEC传感器滞后决定的频率意味着可以实现环路带宽的限制。该频率与激光模块的热时间常数的高比率（图5）意味着简单的主导极环补偿将是有效的。饱和限制波形表明过度增益正在推动环路进入完全冷却和加热状态。最后，非对称占空比反映了TEC在制冷和制热模式下的不同热效率。

控制器增益带宽从图5的极值产生图6的显示。波形是温度设定点的一小步（≈0.1°C）变化的结果。增益带宽仍然过高，在持续时间超过2分钟时产生阻尼响铃响应。循环只是略微稳定。图7的测试条件相同，但增益带宽已显着降低。响应仍然不是最佳的，但建立时间约为4.5秒，比前一种情况快约25倍。图8的响应是在进一步降低的增益带宽设置下进行的，几乎是临界阻尼，并在大约2秒内干净地稳定下来。以这种方式优化的激光模块可以轻松地将外部温度变化衰减几千倍而不会出现过冲或过度滞后。此外，虽然各种激光器模块之间存在很大的热差异，但有一些关于增益带宽值的通用指南是可能的。 5 1000增益足以满足所需的温度控制，带宽低于1Hz，提供足够的环路稳定性。图2的建议增益和带宽值反映了这些结论，但任何特定情况的稳定性测试都是强制性的。

温度稳定性验证

一旦优化了环路，就可以测量温度稳定性。通过使用稳定的校准差分放大器监测热敏电阻桥偏移来验证稳定性。 6 图9记录了冷却模式下50秒内±1毫秒的基线稳定性。更严格的测试测量长期稳定性，环境温度有显着变化。图10的条形图记录测量冷却模式稳定性，该环境在9小时内每小时高于环境温度20°C。 7 数据显示0.008°C产生的变化，表明热增益为2500。 8 在9小时的标绘长度上0.0025°C的基线倾斜来自环境温度的变化。图11使用相同的测试条件，但控制器在加热模式下运行。 TEC的较高加热模式效率可提供更高的热增益，从而使稳定性提高4倍，达到约0.002°C的变化。基线倾斜，只是可检测到，与图10相比显示出类似的4倍改善。

这种性能水平确保了所需的稳定激光特性。长期（年）温度稳定性主要由热敏电阻老化特性决定。 9

反射噪声性能

向TEC提供的开关模式功率提供了有效的操作，但引起了对通过电源注入主机系统的噪声的担忧。特别是，开关边沿的高频谐波含量会破坏电源，从而导致系统级问题。这种“反射”的噪音可能很难处理。 LTC1923通过控制其开关边沿的转换来避免这些问题，从而最大限度地降低了高频谐波含量。 10 这种开关瞬变的减慢通常会使效率降低1％到2％，这对于大大提高了噪音性能。图12显示了使用时具有压摆控制的适当旁路5V电源的噪声和纹波。频率为1mV的低频纹波通常不是问题，与高频转换相关分量相反，高频转换相关分量的幅度仅约为500μV。通过禁用它可以测量摆动限制的有效性。这在图13中完成，高频内容增加4.4倍至约2.2mV。

结论 

LTC1923提供完整激光温度控制器解决方案所需的性能和功能。 “热冷”控制功能可确保所需的温度稳定性，保护和监控功能可保护昂贵的激光器。