激光二極管在光纖通信系統中用作發送信號的發射器激光器和用于摻鉺光纖放大器 （EDFA） 和半導體光放大器 （SOA） 的泵浦激光器。在這些應用中，激光器的特性，包括波長、平均光功率、效率和消光比必須保持穩定，以確保電信系統的整體性能。然而，這些特性取決于激光器的溫度：只要溫度漂移，波長就會改變，轉換效率就會降低。所需的溫度穩定性范圍為 ±0.001°C 至 ±0.5°C，因應用而異。

溫度控制需要由熱敏電阻、熱電冷卻器（TEC）和TEC控制器組成的回路。由于熱敏電阻的電阻隨溫度成比例變化（負比例或正比例，取決于熱敏電阻的類型），因此當配置為分壓器時，可用于將溫度轉換為電壓。TEC控制器將此反饋電壓與代表目標溫度的參考電壓進行比較，然后通過控制流過TEC的電流來調整TEC必須傳遞的熱量。

上述系統的總體示意圖如圖1所示。半導體激光管、TEC 和熱敏電阻位于激光模塊內。TEC控制器ADN8833或ADN8834將讀取來自熱敏電阻的反饋電壓，并向TEC提供驅動電壓。微控制器用于監視和控制熱回路。請注意，熱回路也可以在模擬電路中構建。ADN8834內置兩個零漂移斬波放大器，可用作PID補償器。

圖1.激光模塊溫度控制系統。

本文將介紹電信系統中激光二極管熱控制系統的組成，并介紹主要組件的關鍵規格。目的是從系統級的角度介紹設計考慮因素，為設計人員提供如何構建具有良好溫度控制精度、低損耗和小尺寸的高性能系統的總體指南。

TEC：熱電冷卻技術

熱電冷卻器由兩個表面陶瓷板和交替放置的P型和N型半導體陣列組成，如圖2所示。

圖2.帶散熱器的TEC模塊。

當電流流過這些導體時，熱量將在一端被吸收并在另一端釋放，當電流方向相反時，傳熱也會反轉。這個過程稱為珀爾帖效應。N型半導體中的載流子是電子，因此，其載流子和熱量從陽極流向陰極。對面的N型半導體有空穴載流子，熱量也向相反方向流動。

取一對P-N半導體對，并用金屬板將一個連接到另一個，如圖3所示，隨著電流流過，熱量將沿一個方向傳遞。

圖3.珀爾帖效應：P-N半導體對的熱流。

通過改變直流電壓的極性，傳熱方向是可逆的，傳遞量與電壓幅值成正比。憑借其簡單性和堅固性，熱電冷卻被應用于電信系統中的各種熱調節應用。

選擇 TEC 模塊

在選擇TEC模塊時，系統中需要考慮許多因素，例如環境溫度，目標對象溫度，熱負載，電源電壓以及模塊的物理特性。必須仔細估計熱負荷，以確保所選的TEC模塊具有足夠的容量來泵送來自系統的熱量以維持目標溫度。TEC模塊制造商通常在數據手冊中提供兩條性能曲線。其中一條性能曲線顯示了不同溫差 （ΔT） 下相對于電源電壓的傳熱能力，另一條顯示了不同電源電壓和 ΔT 組合下所需的冷卻/加熱電流。設計人員可以估計模塊的功率容量，并確定它是否足以滿足特定應用的需求。

TEC控制器操作和系統設計

為了用TEC補償溫度，TEC控制器應該能夠根據反饋誤差產生可逆差分電壓，同時提供適當的電壓和電流限制。ADN8834的簡化系統框圖如圖4所示。主要功能模塊包括溫度檢測電路、誤差放大器和補償器、TEC電壓/電流檢測和限制電路以及差分電壓驅動器。

圖4.單芯片TEC控制器ADN8834的框圖。

差分電壓驅動器

TEC控制器輸出差分電壓，以便通過TEC的電流方向可以將熱量從連接到TEC的物體上抽走，或者平滑地過渡到相反的極性來加熱物體。電壓驅動器可以是線性模式、開關模式或混合電橋。線性模式驅動器更簡單、更小，但效率較差。另一方面，開關模式驅動器具有良好的效率（高達90%以上），但在輸出端需要額外的濾波電感和電容。ADN8833和ADN8834采用混合配置，具有一個線性驅動器和一個開關模式驅動器，將龐大的濾波元件數量減少了一半，同時保持了高效率性能。

電壓驅動器設計對控制器至關重要，因為它占用了大部分功耗和電路板空間。最佳的驅動器級有助于最大限度地降低功率損耗、電路尺寸、散熱器需求和成本。

使用NTC熱敏電阻進行溫度檢測

圖5顯示了負溫度系數（NTC）熱敏電阻在整個溫度范圍內的阻抗。由于其溫度依賴性，當作為分壓器連接時，它可用于將溫度轉換為電壓。典型連接如圖6所示，VFB隨RTH隨溫度變化而變化。通過將Rx與熱敏電阻串聯，溫度-電壓傳遞函數可以相對于V進行線性化裁判如圖 7 所示。重要的是，它與模塊外殼內部的激光器緊密耦合，與外部溫度干擾隔離，以便它可以準確地感應溫度。

圖5.NTC隨溫度變化的阻抗曲線。

圖6.NTC熱敏電阻作為分壓器連接以讀取溫度

圖7.VFB 隨溫度變化。

誤差放大器和補償器

模擬熱反饋環路有兩個由兩個放大器組成的級，如圖8所示。第一個放大器獲取熱反饋電壓（VFB），并將輸入轉換或調節為線性電壓輸出。該電壓代表物體溫度，并饋入補償放大器，在那里與溫度設定點電壓進行比較，產生與差值成比例的誤差電壓。第二個放大器通常用于構建PID補償器，該補償器由一個極低頻極點、兩個高頻的獨立零點和兩個高頻極點組成，如圖8所示。

圖8.使用ADN8834內部兩個斬波放大器的熱反饋環路示意圖。

PID補償器可以通過數學或經驗來確定。為了在數學上對熱回路進行建模，需要 TEC、半導體激光管、連接器和散熱器的精確熱時間常數，而這些常數并不容易獲得。根據經驗調整補償器更為常見。通過對溫度設定點端子置位階躍函數并改變目標溫度，設計人員可以調整補償網絡，以最小化TEC溫度的建立時間。

激進補償器對熱擾動反應迅速，但也容易變得不穩定，而保守補償器穩定緩慢，但可以容忍熱擾動，過沖的可能性較小。在系統穩定性和響應時間之間取得平衡非常重要。

TEC控制器系統的主要性能

溫度調節精度

有時，即使PID補償器設計正確，穩態誤差仍然存在。有幾個因素可能導致此錯誤。

TEC熱功率預算：TEC和電源電壓是設計系統時首先選擇的兩個因素。但是，由于熱負荷不容易估計，因此選擇可能不正確。在某些情況下，當最大電力已施加到TEC并且仍然無法滿足目標溫度時，這可能意味著熱功率預算不足以處理熱負荷。增加電源電壓或選擇具有更高額定功率的TEC可以解決此問題。

基準電壓源一致性：基準電壓源會隨溫度和時間漂移，如果熱環閉合，這通常不是問題。然而，特別是在數字控制系統中，TEC控制器和微控制器的基準電壓源可能會以不同的方式漂移，從而導致補償器看不到的錯誤。建議對兩個電路使用相同的基準電壓源，使用具有更高驅動能力的電壓源來覆蓋另一個電路。

溫度檢測：精確檢測負載溫度對于最小化溫度誤差至關重要。來自反饋的任何錯誤都將被引入系統，并且補償器無法再次糾正。使用高精度熱敏電阻和自穩零放大器以避免誤差。熱敏電阻的位置也很重要。確保它連接到激光器上，以便它可以讀取我們正在控制的實際溫度。

效率

驅動器級消耗TEC控制器中的大部分功率損耗。在ADN8833/ADN8834中，線性驅動器的功耗很容易根據其輸入至輸出電壓降和負載電流得出。開關模式驅動器損耗更為復雜，大致可分為導通損耗、開關損耗和轉換損耗。傳導損耗與 RDS 成正比上FET和濾波電感的直流電阻。可以通過選擇低電阻元件來減少它。開關損耗和轉換損耗在很大程度上取決于開關頻率。頻率越高，損耗越高，但無源元件尺寸可以減小。為了實現最佳設計，必須仔細考慮效率和空間之間的權衡。

噪聲和紋波

ADN8833/ADN8834中的開關模式驅動器開關頻率為2 MHz，快速PWM開關時鐘邊沿包含寬頻譜，在TEC端子上產生電壓紋波，并在整個系統中產生噪聲。通過添加適當的去耦和紋波抑制電容器，可以降低噪聲和紋波。

在電源電壓軌上，紋波主要是由通常用于開關模式電源的降壓拓撲中的PWM FET斬波的不連續電流引起的。并聯使用多個 SMT 陶瓷電容器來降低 ESR（等效串聯電阻）并局部去耦電源電壓。在開關模式驅動器輸出節點上，電壓紋波是由濾波電感的電流紋波引起的。為了抑制這種紋波，在驅動器輸出端并聯放置多個SMT陶瓷電容。由于紋波電壓主要由電容器ESR和電感紋波電流的乘積決定：Δ V_TEC = ESR×Δ I_L。 并聯使用多個電容可以有效降低等效ESR。

結論

為電信系統中的激光二極管設計TEC控制器系統是一項復雜的工作。除了熱精度方面的挑戰外，封裝尺寸通常非常小，功耗容差也很低。一般來說，設計良好的TEC控制器應具有以下優點：

精確的溫度調節

高效率

電路板尺寸小

低噪音

電流和電壓監控和保護

審核編輯：郭婷