浅谈热电冷却器 (TEC) 的基本工作原理

本文档讨论了使用 DS4830A 光学微控制器控制 TEC。首先使用双线性变换将原型模拟控制器的传递函数转换为离散域。然后为电流回路提供一个 PI 控制器。将系统地解释使用 DS4830A 的所有程序及其实现。

本文首先简要讨论热电冷却器 (TEC) 的基本工作原理及其在光学模块中的应用。然后介绍了一种使用光学微控制器的 TEC 控制数字方法。包括数学分析、算法实现、固件流程图、编码技巧和示例代码，使本文成为 TEC 控制的分步指南。附录包括数字滤波器系数计算器实验室结果和示例代码。

第一部分：背景信息

TEC 的工作原理
热电冷却器 (TEC) 是一种基于珀尔帖效应的设备。它通常包括两种材料，并在强制直流电流通过的同时将热量从设备的一侧传递到另一侧。散热的一侧变冷；热量移动的一侧变热。当电流反向时，先前“冷”的一面变热，先前“热”的一面变冷。

TEC 没有移动部件或工作流体，因此非常可靠且尺寸非常小。TEC 用于许多需要精确温度控制的应用，包括光学模块。

光模块需要精密温度控制的主要原因有两个。

1) 激光器需要冷却或加热以保持其光学性能。
2) 激光需要设置在特定波长。

密集波分复用 (DWDM) 中还需要良好控制的温度，以实现精确的信道间隔。尽管多个激光器可以同时驱动一根光纤以实现大的多通道数据速率，但需要严格控制激光波长以确保正确的通道间隔。由于激光波长与温度有关，因此必须很好地控制温度。因此，温度控制是许多光学应用的重要任务。TEC 因其体积小且易于使用而被广泛用于此类应用。

第二部分：TEC 控制背后的数学

**TEC 控制概述：双回路控制的重要性**
TEC 通常用作加热或冷却元件来控制特定设备（例如激光模块）的温度。为了获得良好的性能，实现了双闭环（热环和电流环）控制。图 1 是一个简化的系统框图，显示了 TEC 控制的基本思想。

简化的 TEC 控制框图。

典型激光应用中的控制回路基本如下工作。首先，根据应用需求设置激光模块的目标温度。温度感测装置（通常是热敏电阻）感测实际模块温度。目标温度与实际温度之差即为温度误差。热回路控制器处理这个温度误差。热回路控制器的输出是目标 TEC 电流。与热回路类似，电流感测组件感测 TEC 电流并将其与目标 TEC 电流进行比较。区别在于当前的错误。接下来，电流误差被提供给电流回路控制器。电流回路控制器调节 TEC 驱动电路，以保持实际 TEC 电流接近目标值。

传统控制策略和实现
市场上可用的传统TEC控制策略使用模拟器件，例如模拟TEC控制器/驱动器和运算放大器（op amps）来实现控制逻辑。虽然这些电路已经很好地建立，但它们有一些缺点。

1) 模拟实现通常需要很多元件，进而需要更多的 PCB 面积。拥有更多组件也会导致更高的故障率。
2) 在模拟方法中，控制阈值和系数由离散组件设置。为了实现高控制性能，需要使用具有严格公差的组件，这反过来又增加了成本。这些组件还会随时间发生漂移，从而影响 TEC 性能。
3) 从开发的角度来看，修改开发的电路来为新应用工作并不容易。组件值是相互依赖的，必须更改多个组件才能进行修改。

使用 DS4830A 光控制器

的数字 TEC 控制DS4830A 是一款 16 位低功耗微控制器，具有实现高性能数字 TEC 控制所需的资源。微控制器需要具备几个集成能力：

• 具有 26 输入多路复用器的 13 位模数转换器 (ADC)
• 八通道独立 12 位数模转换器 (DAC)
• 10 个脉宽调制 (PWM) 通道，分辨率高达 16 位
• 32k 字的闪存和 2k 字的 SRAM
• 带 48 位累加器的单周期乘法累加单元 (MAC)

与模拟 TEC 控制器不同，DS4830A 光学微控制器使用带有固件的数字信号处理 (DSP) 来实现控制逻辑。这减少了所需组件的数量，并使控制参数更加准确和可重复。此外，修改固件以适应新应用比改变分立元件更容易。图 2 是说明数字 TEC 控制方法的系统框图。

DS4830A TEC 控制框图。

这种 TEC 控制方法有一些重要的观察结果：

1) 温度被转换成电压并用电压表示。控制热敏电阻电压实际上就是在控制激光模块的温度。

2) 所有输入信号在处理前都经过数字化处理。使用单端通道转换设定点电压和热敏电阻电压；TEC 电流和电压使用差分通道转换以获得更好的性能。

3) 图 2 中的热回路控制器和电流回路控制器均以数字方式实现，从而减少了使用的组件数量。

4) 热回路和电流回路有不同的更新周期。热环更新周期通常是电流环更新周期的倍数。这将在后面更详细地讨论。

在下一节中，我们将讨论热回路控制器的原理和操作。

DS4830A TEC 控制：热回路

的操作热回路控制器的主要功能是处理温度误差，即激光模块的目标温度与实际温度的差异，并产生目标TEC 电流。这在图 1 中进行了说明。图 2 中显示了更多细节。

如前所述，温度被转换为电压并由电压表示。特别地，激光模块的目标温度由设定点电压表示，用VSET表示。热敏电阻通常放置在非常靠近激光模块的位置，因此热敏电阻的温度实际上与激光模块的温度相同。同样，热敏电阻温度由热敏电阻两端的电压 VTHERM 表示。控制激光模块的温度相当于控制VTHERM。由于热回路控制器是数字实现的，因此设定点电压和热敏电阻电压都由 ADC 数字化。

编辑：hfy