如何设计一个高性能的热电制冷控制器

如何设计一个高性能的热电制冷控制器

     　1. 简介
    
    　　光通信系统中，通常将激光二极管用作发射器部分的信号源，或者在光放大器中用作能量源。大多数的激光二极管都只能在一定的温度范围内正常工作，因为它们输出光的波长和功效都会随温度的变化而相应地发生变化。
    
    　　尤其是在密集波分复用(DWDM)系统中，大量不同波长的激光束在一根光纤中传输。而这些激光的波长都必须是在光纤波长的低衰减窗范围内，这样光解复用器才能无串扰地分辨出每一个波长激光信号。但因为激光束的波长会随温度而变化，所以在这些系统中，保持一个精确稳定的激光器温度是非常重要的。
    
    　　在掺饵光纤放大器(EDFA)中，激光二极管是用作能量源。激光器的温度必须保证稳定在某个数值，这样激光束的功率才能稳定。
    
    　　许多无源光器件也同样对温度很敏感。为了稳定光的各种参数，对这些器件的精确温度控制也是很有必要的。
    
    　　温度控制，因此在现在的光通信器件和系统设计中成为一个非常重要的任务。
    
    　　2. TEC － 一个冷/热发生器
    
    　　大多数上述的应用都需要使用一个热电制冷器（TEC）作为它们的冷热源。一个TEC是一个半导体P-N结器件，利用塞贝克（Peltier）效应来制冷或加热。在TEC两端加上一个直流电压就会产生一个直流电流 ，这会使TEC的一端发热，另外一端制冷。发热的一端我们称之为“热端”，制冷的一端我们称之为“冷端”。把TEC两端的电压反向也会导致相反的热流向－热端变为冷端，冷端变成热端。实际上，热或冷端都是在TEC制造好之后再定义的。通常一般把有两个引脚的那端称为热端，虽然有时也用这一端来制冷。需要稳定温度的物体安放在冷端，散热部分安放在热端。
    
    　　TEC可以移去的热量与流过TEC的电流值有关。当电流越大，移去的热量越多，但这并非是一种线性关系。因此，目标物体的温度可以通过控制流过TEC两端的电流方向和幅度来控制。但是TEC的电流一旦超过某个最大值，TEC就不再制冷而只是会发热了，一个好的系统设计应该避免这种情况的发生。
    
    　　在通信系统中，典型的TEC功率是2瓦到15瓦。驱动TEC的电压从1V到5V。假设系统中的每一个器件都是理想的话，目标温度的精度可以稳定在0.00001oC范围内。在光发射器应用中，根据不同的激光器和使用波长，需要的温度稳定范围从(0.1oC到(0.02oC。在EDFA应用中，需要的温度稳定范围通常是(0.5(C 到 (0.2(C。对于无源器件，所需的温度稳定范围是(5(C 到 (0.001(C。
    
    　　3. 如何控制TEC
    
    　　图一显示了控制一个TEC的基本功能框图。第一个部分是温度传感器，这个传感器是用来测量安放在TEC冷端的目标物体的温度。期望的目标物体温度是用一个设定点电压来表示，与温度传感器产生的代表实际目标物体温度的电压通过一个OP运放进行比较，然后产生一个误差电压。这个电压通过一个高增益的放大器放大，同时也对因为目标物体的冷热端引起的相位延迟进行补偿，然后再驱动H桥输出。H桥同时控制TEC电流的方向和大小。当目标物体的温度低于设定点温度时，H桥朝TEC制热的方向按一定的幅值驱动电流；当目标物体的温度高于设定点温度时，H桥会减少TEC的电流甚至反转TEC的电流方向来降低目标物体温度。当控制环路达到平衡时，TEC的电流方向和幅值就调整好了，目标物体温度也等于设定的温度。
    
    

    
    　　通信应用中最常用的温度传感器是热敏电阻。这种热敏电阻具有负温度系数特性，例如，当温度上升时，阻值下降。它的优点包括灵敏度高，小封装，低成本。对于高端应用，它的缺点是较高的长期漂移（(0.1(C /年），并且绝对误差较大（(1%）。有其它温度传感器可以用在这种要求低漂移小误差的应用中。
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    　　TEC控制器按输出的工作模式可以分成线性模式和开关模式。线性模式的TEC控制器较容易设计和制造，但它的功率效率比较低，通常是从20％到40％。开关模式的TEC控制器有高的效率，但需要更多的元器件。单芯片的TEC控制器克服了上述缺点，而且提供了许多优点：它易于设计和制造，所有的控制器件都集成到一颗芯片里，因此它也有很高的效率。
    
    　　高效率的TEC控制器带来许多优点：
    　　* 产生较少的热 － 容易满足散热的要求。
    　　* 消耗更少的功率 － 降低电源的功率要求，并且降低成本。
    　　* 可以在更低的温度下工作 － 增加控制器的可靠性。
    　　* 无须散热 － 减少板面积，降低功耗。
    
    　　4．设计一个高性能的TEC控制器
    
    　　优化一个TEC控制器应该考虑以下特性：温度稳定性，功率因素，输出纹波，接口和监控因素，PCB面积，保护和故障检测，以及成本。为了满足这样的一个设计，必须综合考虑以上的这些所有主要因素。
    
    　　4．1 开关频率
    
     在选择开关频率时有许多因素要考虑。更高的开关频率可以减少PCB板面积和降低成本，这是因为更高的频率时可以用更小的电感和电容。图2显示了成本随开关频率增加而降低的关系。然而更高的开关频率会引起更大的电磁干扰(EMI)噪声和更低的功效。因此，对设计者来说，如何平衡所有系统参数是关键。
    
    
    
    
    　　　
    　　4．2 效率
    
     只有开关模式的TEC控制器才能达到高的效率。就象上述所提到的，高的效率可以给系统带来许多好处。然而，对于一个开关模式的TEC控制器，要达到高的效率需要付出一定的成本。
    
     有几个方法可以改变开关输出的效率。当开关频率增加，效率会因为以下几个原因而降低：
    　　* 驱动功率的消耗。驱动功率是在开关模式输出阶段，用来驱动两个开关器的闭合的。驱动功率的消耗与开关频率成比例，比如当开关频率增加一倍，驱动功率的消耗也是增加一倍。
    　　* 电感和开关MOSFET的输出电容负载引起的功率消耗。这也与开关频率成比例。
    　　* 电感铁芯引起的功率消耗。这包含了电感芯中因为磁滞和回旋电流引起的功率消耗。对于一个使用铁氧体芯的的高频功率电感，当频率低于500kHz时功率消耗是较低的，但当频率接近1MHz时，功率的消耗迅速增加。
    
    　
    　　ADI公司的ADN8830是一颗具有高输出效率的TEC控制器。与开关输出的TEC控制器结构采用完全对称的H桥不同的是，ADN8830采用一半开关输出，一半线性输出方式。这种包含线性和开关级输出方式的专利技术可以减少一半的输出电流纹波，也可以减少一些外围器件，同时还可以提高效率。当器件工作在大信号方式时，线性模式输出级会工作在“开关模式”，根据TEC是工作在加热还是制冷方式，输出会饱和在某个电源电压轨上。在小信号工作方式下，线性模式输出级会工作在线性模式，从而为TEC在加热和制冷方式间转换提供平滑的过渡。大部分单芯片TEC控制器会采用外部的MOSFET，从而让设计工程师灵活地根据驱动电流大小需要来选用MOSFET，以便尽可能地使效率最大化。
    
     4．3 精度和长期稳定性
    
    　　假设热敏电阻是个无误差的理想器件，那么控制温度的精度仅仅是与输入误差放大器的偏置有关。温度稳定性可以分为两种：短期温度稳定性和长期温度稳定性。短期温度稳定性可以定义为目标物体的温度随TEC控制器的环境温度变化的关系（用(C/(C来表示）。目标物体温度会发生变化是因为误差放大器的输入偏置会随环境温度而变化。长期温度稳定性定义为目标物体温度随时间而变化的关系（用(C/年）来表示。上述两种温度稳定性相同的是，目标物体的温度都会因为误差放大器的偏置随时间变化而变化，通常都是经过几年时间而发生。
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    　　如果一颗单芯片的TEC控制器在前端采用偏置电压在1μV级的自动归零放大器，而且不会随时间和温度漂移，那么它能达到的最终温度精度和长期温度稳定性都会低于±0.01(C。
    
     4．4 噪声性能 － 电流纹波
    
    　　降低TEC控制器的开关频率可以增加效率，同时如果输出滤波电容和电感值不变，也会增加TEC控制器的输出电流纹波。为了将电流纹波限定在一定范围之内，开关频率必须设置在一定值之上，因此也必须牺牲一些TEC控制器的效率。图5显示了对于给定的一个电流纹波值，所需的滤波电感和电容值随开关频率增加而下降的关系。
    
    　　对于大部分应用，当TEC输出电流为1.5A，开关频率为500KHz时，一个典型的4μH电感可以保证小于1%的输出电压纹波。因为ADN8830的非对称结构，输出电流纹波会因此削减一半。
    
    
    　
    　　4．5 补偿网络的优化功能 － 稳定性与响应速度的对比
    
    　　补偿网络影响到TEC控制器的响应速度和温度的稳定性。为了达到快速的响应速度，也就是短的设定时间和高的温度稳定性，补偿网络必须精确地匹配热负载地特性，然而要做到这一点是不容易的。一个精确匹配的补偿网络留给热控制环稳定性的容限是较少的。传统补偿网络的设定时间较长，但是可以容忍更多的TEC驱动电流和温度传感器之间热传输特性的变化。
    
    　　一些单芯片的TEC控制器使用外部补偿网络，仅仅需要几个电阻和电容。设计者可以根据他们的热负载特性来调整补偿网络，从而达到最佳的温度设定时间和稳定性容限。
    
    　　4．6 多TEC工作功能 － 与其它TEC控制器的接口
    
    　　多个TEC控制器可以一起协调工作来控制多个TEC－多控制器工作模式。多个控制器的开关频率需要同步，同时相位也要错开。错开相位是为了减少加在工作电源上的开关纹波电压。
    
    　　在多控制器工作模式中，应该对多个控制器按次序上电。给一个TEC控制器上电后，等到‘温度已设定\’管脚输出真值，表示目标物体温度等于设定的温度了。然后再给另一个TEC控制器上电。按照这种方法，工作电源不会有很大的电流尖峰。因此，频率同步和相位错开功能对于类似的系统设计有很大的帮助。温度已设定指示对于大部分应用也是一个很有用的特性。ADI公司的AD