熱電制冷器的EML激光器溫度控制系統設計

　　引言
　　
　　在光通信領域中，用于高速、長距離通信的電吸收調制激光器（Electlro-absorptionModulatedLaser，EML）對溫度穩定性的要求很高，并朝著小型化和高密度化方向發展。EML激光器是*種大量生產的銦鎵砷磷（InGaAsP）光電集成器件。它是在同一半導體芯片上集成激光器光源和電吸收外調制器，具有驅動電壓低、功耗低、調制帶寬高、體積小，結構緊湊等優點，比傳統DFB激光器更適合于高速率、長距離的傳輸。
　　
　　EML激光器的輸出波長、電流閾值、zui大輸出功率和zui小功率的波動都直接受工作溫度的影響。同時，光源的啁啾聲受限于光通道的zui大允許色散，雖然光纖放大器可延長信號傳輸距離，但色散值隨傳輸距離的線性累積與光纖放大器無關，因此只能對光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接調制激光器遠遠滿足不了系統對光源性能的要求，就目前技術而言，zui簡單的方法是使用帶溫度控制的電吸收激光源。
　　
　　本設計方案采用體積小且易于控制的熱電制冷器（ThermoElectricCooler，TEC）作為制冷和加熱器件，并采用高精度的負溫度系數熱敏電阻（NTC）作為溫度傳感器，以MCU為控制核心，對EML激光器進行精密溫度控制。EML的內部結構框圖如圖1所示。虛線框內，上面的二極管負責監控激光器和控制開關，下面的二極管控制背光電流。　　
　　1、基于TPS63000的TEC控制電路設計
　　
　　1.1TEC的原理分析
　　
　　TEC制冷器又稱半導體制冷器。電荷載體在導體中運動形成電流，當直流通過兩種不同的導體材料，接觸端上將產生吸熱或放熱現象，稱為帕爾貼效應。TEC熱電制冷器正是利用了帕爾貼效應實現制冷或制熱，具有無噪聲、無磨損、無污染、制冷（熱）速度快、可靠性高、體積小、控制調節方便等特點。
　　
　　目前，大多數EML激光器內部都集成有TEC和熱敏電阻，但其控制電路需采用芯片或自行設計，否則激光器不能正常工作。常用的TEC控制電路包括2個PWM降壓變換器、4個開關（S1～S4）、2個二極管（D1和D2）、2個濾波電感（L1和L2）、2個電容（C1和C2）。TEC與電容C1并聯分別接PWMl和PWM2降壓變換器，PWMl和PWM2產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：
　　
　?、貳MI較大。控制電路中的兩個濾波電感會對周圍產生電磁干擾，且濾波電感的回路阻抗易發生突變而導致產生尖銳的脈沖。
　　
　　②外圍電路器件數量龐大。溫度的反饋信號以及其參數設置均采用模擬電路，從而使應用的成本和復雜性增加，TEC工作參數的設置不靈活。
　　
　　③TEC的溫控精度不高。由于采用的是模擬的控制方式，外接誤差積分的運算放大器以及數/模轉換器的量化誤差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。
　　
　?、苣Ｊ角袚Q較復雜。控制電路在雙PWM降壓變換器驅動模式下采取模擬的控制方式，沒有運行模式選擇功能。
　　
　　1.2硬件電路結構設計
　　
　　本文設計了一種基于TPS63000的TEC控制電路，采用數字式PID控制，具有溫控精度高、外圍電路簡單、執行部件的轉換效率高等優點。
　　
　　TI公司的TPS63000是一款升降壓電源管理芯片，DC/DC轉換器可在1.8～5.5V的寬電壓范圍內實現高達96%的效率。該芯片在降壓和升壓模式之間可自動轉換，同時支持電流流入模式。在降壓模式下電壓為3.3V輸出時，輸出電流zui大可達1200mA;在升壓模式下電壓為3.3V或5V輸出時，輸出電流zui大可達800mA。
　　
　　根據CyOptics公司的10Gb/sCooledEML的使用手冊可知，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.，VTEC為-3.3～3.3V，熱敏電阻的電流ITHC不得超過100μA，中心波長的范圍為1530～1565nm，且溫度每變化1℃波長偏移不得
　　
　　超過0.13nm。
　　
　　結合激光器的具體指標，要做到對TEC溫度的控制，可分為以下3步：
　　
　?、贌崦綦娮鑼崟r監控溫度;
　　
　　②TEC上電流方向實現制冷和加熱;
　　
　?、跴ID控制準確、快速、穩定地控制TEC電流。
　　
　　TEC控制系統是一個典型的閉環反饋控制系統，其結構如圖2所示。　　
　　EML內部集成的高靈敏度NTlC熱敏電阻，溫度特性波動小、對各種溫度變化響應快，材料一般為薄膜鉑電阻。電阻的阻值與溫度的關系是非線性的，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。
　　
　　熱敏電阻作為傳感器探測激光器內部溫度，并將溫度轉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換為電壓的變化，其轉換精度決定了測溫的精度。轉換后電壓值的大小決定TECLOOP電路的電流的流向（流入還是流出），以此來實現TEC控制電路的制冷或制熱。
　　
　　圖3為設計的TECLOOP電路。　　
　　在TPS6300X系列芯片中，為了更好地控制輸出電壓VOUT，通常用FB引腳電壓值的變化來感知輸出電壓V（OUT值的變化，這就意味著FB引腳要和VOUT引腳直接相連。　　
　　可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC。其中，K1、K2為常量，VDAC為MCU的控制電壓。通過對輸出電壓VOUT值的控制，當電流由ITEC（+）流向ITEC（-）時，激光器將制冷，反之制熱。
　　
　　在這個可調節的電壓輸出系統中，要調節VOUT值，還要用一個外部的分壓電阻連接在FB、VOUT和GND之間。為了能正常地調節VOUT值，V-FB值zui大不超過500mA，IFB不超過0.01μA，RB的阻值小于500kΩ。分壓電阻RA阻值由VFB、YOUT和RB確定。
　　
　　1.3TECLOOP控制算法
　　
　　PID（ProportionalIntegralDerivative）控制是一種線性的調節，即比例、積分、微分控制。PID控制有模擬PID和數字PID控制兩種，通常依據控制器輸出與執行機構的對應關系，將基本數字PID算法分為位置式PID和增量式PID。本文中TECLOOP控制采用了適合于溫度控制的位置式PID控制算法。該算法原理簡單，只是將經典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，結構簡單易于實現。圖4是TECLOOP的控制模型。　　
　　該控制模型的控制表達式為：　　
　　其中，Kp為比例調節系數，Ki為積分調節系數，Kd為微分調節系數，e（k）為每次采樣值與目標值的差值，u（k）為每次計算后用于調整溫度的DAC值。模型中的反饋部分是將24位DAC的采樣值轉換成溫度，當前溫度與目標溫度的差值通過PID算法計算出當前需要調整的DAC值，從而來實現溫度的控制。
　　
　　2、實驗結果及分析
　　
　　基于以上設計的TEC控制電路，分別對4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三種溫度下進行3.3（1±10%）V的一些性能指標測試，測試的激光器是在循環箱中進行，表1為其中波長和光發射功率的具體測量數據。　　
　　從表中可以看出，當TEC控制在42℃，4只EML激光器分別工作在-10℃、25℃、75℃時，中心波長的偏移均不超過0.2nm，光功率的變化在±1dB之內。根據CyOptics公司的lOGb/sCooledEML的使用手冊可知，光功率、中心波長*TDM（時分復用）的要求，波長的變化范圍也可以滿足WDM（波分復用）應用需求。
　　
　　3、結語
　　
　　本文所設計的基于TPS63000的溫度控制電路，已成功應用在CyOptics公司的EML激光器中。實際使用證明：該電路可以有效地對TEC的溫度進行控制，能夠使EML激光器長期、穩定地工作在設定溫度下。此模塊工作溫度寬、集成度高、成本低，經過進一步優化設計還可以適用于大多數集成光通信系統。