设计高性能TEC控制器

作者：Yang Zhang and James Ashe

在光通信系统中，二极管激光器大多用作发射器中的信号源或光放大器中的能量源，它们的运行直接影响整个系统的性能。只有在恒定温度下，二极管激光器才能稳定运行，否则，它们的输出波长和功率效率将发生巨大变化。

特别是，密集波分复用（DWDM）系统将大量不同波长的激光束组合在一起，并将组合的激光束注入到一根光纤中。每个激光器的波长需要均匀地放置在光纤的低衰减波长窗口内，以便光纤另一端的光解复用器可以将每个激光束与其他激光束区分开来，而不会产生串扰。由于激光束的波长随激光温度而变化，因此保持准确稳定的激光温度是这些DWDM系统的关键任务。

在掺铒光纤放大器（EDFA）中，二极管激光器用作能量源，即所谓的泵浦激光器。激光温度需要保持在恒定值，以便激光功率稳定并最小化噪声。

此外，电信系统中使用的许多无源光学元件，如滤波器、阵列波导（AWG），对其温度很敏感。为了稳定其光学参数，需要对这些组件的温度进行良好的控制。

因此，温度控制是当今光通信系统设计中一项重要而关键的任务。

TEC – 热/冷发电机

TEC，热电冷却器，可以通过使用珀尔帖效应产生热量和冷量。与其他冷热发生器相比，TEC具有许多优点：易于控制温度，体积小，无噪音，无移动部件，使用寿命长等。所有这些都对电信组件很重要和关键。

TEC有两面，当向TEC施加直流电压时，导致直流电流沿一个方向流动，两边一面变热，另一面变冷;反转电压将反转热传递方向——第一侧现在变冷，第二侧变热。在实践中，制造商以这样的方式命名“热”侧和“冷”侧，当电流流入TEC的指定正极端子（另一个端子被指定为负极端子）时，变热的一侧称为“热”侧，而另一侧变冷，称为“冷”侧。这样，一面总是被称为“热”的一面，即使它有时被用来产生“冷”。这同样适用于“冷”的一面。通常，安装两个端子引线的一侧是热侧，通常安装在散热器上，而另一侧，即冷侧，通常用于安装需要控制其温度的目标。

产生冷时，当电流流入正极端子时，TEC 将热量从冷侧移动到热侧。电流越高，移动的热量就越大。在此过程中，两侧都会产生热量。当电流增加到一定水平时，冷侧电流产生的热量等于热量从冷侧移开，冷侧温度停止下降，即TEC的热输出功率变为零。

TEC的两个主要参数是其最大电流和最大电压。它们被定义为：热缩短TEC的热侧和冷侧，使TEC输出最大热流量的电流是最大电流。TEC两端在最大电流下的电压是最大电压。

当TEC的电流小于最大值时，电流越大，它输出到热负载的热功率就越大。因此，目标器件的温度可以通过流过TEC的电流的大小和方向来控制。

TEC的尺寸范围从2毫米×2毫米×1.5毫米到50毫米×50毫米×4毫米。电信组件中的大多数TEC的尺寸从5毫米×5毫米×2毫米到10毫米×10毫米×3毫米不等。热输出功率范围为0.5W至16W。在电信系统中，最大TEC电压范围为1伏至5伏。

假设系统中的每个组件都是理想的，目标上的温度可以保持在0.00001°C以内。在光发射器应用中，所需的温度稳定性范围为 ±0.02°C 至 ±0.1°C，具体取决于激光器和波长间距要求。在EDFA应用中，所需的温度稳定性通常为±0.2°C至±0.5°C。 对于无源光学元件，稳定性要求范围更宽：±0.001°C 至 ±5°C。

控制 TEC

图 1 显示了控制 TEC 所需的基本功能块。第一个元件是温度传感器，用于测量安装在TEC冷侧的目标的温度。电信元件中最常用的温度传感器是温度敏感电阻器，即热敏电阻。热敏电阻的电阻随着温度的升高而减小。热敏电阻的电阻转换为电压，代表测量的目标温度。代表设定点温度（即所需目标温度）的外部电压通过op-am与目标温度电压进行比较，从而产生误差电压。该误差电压由高增益放大器放大，补偿目标和TEC冷侧板的热质量引起的相位滞后，然后驱动H桥输出。H桥控制TEC电流的大小和方向。当目标温度低于设定点温度时，H桥沿目标温度升高的方向和幅度驱动TEC。当目标温度高于设定点温度时，H桥将通过降低甚至反转TEC电流来降低目标温度。当控制环路稳定时，TEC电流大小和方向恰到好处，因此目标温度等于设定点温度。

图1.TEC 控制器的框图。

热敏电阻具有灵敏度高、体积小、成本低等优点。对于高绝对精度应用，热敏电阻具有高长期漂移（±0.1°C/年）和高绝对误差（±1%）的缺点。其他类型的温度传感器，如RTD，一种基于铂电阻的器件，可用于需要较低漂移和较小误差的应用。

TEC控制器可按输出级的工作模式分类：线性模式和开关模式。线性模式TEC控制器的设计和制造更简单，但缺点是功率效率非常低，范围从20%到40%。TEC控制器的开关模式H桥具有高功率效率的优点，但需要两个高功率电感器和低ESR电容来构成输出滤波器。ADI公司制造的ADN8830在H桥中使用一个线性模式和一个开关模式输出级。这种结构将大功率笨重的滤波元件数量减少了一半，同时将电源效率提高到90%以上。此外，ADN8830包含图1所示的所有控制功能块，从而形成一个IC TEC控制器解决方案。

高效TEC控制器为系统带来多种优势：

产生更少的热量 – 减轻将热量倾倒到外部的需要。

消耗更少的电力 – 降低电源的功率要求并降低成本。

在较低温度下运行 – 提高控制器的可靠性。

无需散热器 – 减小封装尺寸并降低成本。

设计高性能TEC控制器

最佳的TEC控制器应具有以下主要规格的最佳组合：高温稳定性，高功率效率，低TEC纹波电流，易于接口和监控，所需的PCB面积小，故障检测和指示以及低成本。为了实现这样的设计，必须充分理解和权衡所有这些主要参数。

开关频率

选择开关模式输出级是实现高效率的必要条件。开关频率需要正确设置。将开关频率设置为高允许在输出滤波器中使用较小的电感器和电容器，从而降低成本和所需的PCB空间。图2显示了系统成本如何随着开关频率的增加而降低。图3显示了PCB面积如何随着开关频率的增加而减小。然而，较高的开关频率会产生更高的EMI（电磁干扰）噪声和更低的功率效率。

图2.PCB空间与开关频率的关系

图3.系统成本与开关频率的关系

效率

如上所述，高效率为系统带来了许多优势。但是，对于开关模式TEC控制器，高效率是以一定的成本实现的。

有几个因素决定了效率。这些是限制效率的功率损耗因素：

驱动器断电。这是在开关模式输出级驱动两个开关稳压器的栅极所需的功率。它与开关频率成正比，即当开关频率加倍时，驱动功率损耗将加倍。可以通过降低开关频率和/或选择低输入电容的开关稳压器来降低开关频率。

电感和开关MOSFET中的输出容性负载损耗，即在开关模式级输出端驱动输出电容引起的损耗。该损耗也与频率成正比，可通过使用低输入电容电感器和低输出电容开关MOSFET来降低。

铁损失。它由电感磁芯中的迟滞损耗和涡流损耗组成。对于使用铁氧体磁芯的高频功率电感器，这两个损耗在低于500kHz的频率时较低，但随着开关频率接近1MHz，损耗会迅速增加。选择使用高频铁氧体磁芯的电感可以降低这种损耗。

切换器罗恩损失。开关在传导电流时电阻引起的损耗。使用低Ron MOSFET将降低这种损耗。

输出电感DCR损耗。输出滤波电感器在传导交流和直流电流时产生的直流电阻引起的损耗。使用低DCR的电感会降低这种损耗，但电感的尺寸会增大。

图4.效率与开关频率的关系增加。

与使用完全对称H桥的开关输出架构不同，新产品设计策略（如ADI公司的ADN8830 TEC控制器（专利））使用电桥的一端为线性模式，另一端为开关模式，以提高输出效率。线性和开关输出级的这种组合可将输出纹波电流降低两倍，减少外部元件数量，同时提高效率。在大信号运行时，线性模式输出级将以“开关模式”运行，饱和到其中一个电源轨，具体取决于TEC是在加热模式还是冷却模式下工作，以提高效率。在小信号操作中，线性模式输出级将以线性模式运行，以提供加热模式和冷却模式之间的平滑过渡。大多数单芯片TEC控制器使用外部MOSFET，这使设计人员能够灵活地满足各种驱动电流要求，同时最大限度地提高效率。

精度和长期稳定性

如果热敏电阻是理想的无差错器件，则温度精度仅取决于输入误差放大器的失调。

需要考虑两种温度稳定性：短期稳定性和长期稳定性。短期稳定性定义为相对于TEC控制器环境温度变化的目标温度变化（以°C/°C为单位）。目标温度变化是由环境温度变化引起的输入失调电压漂移引起的。长期稳定性定义为目标温度随时间的变化（以°C/年为单位）。与上述相同，该目标温度变化源于失调电压随时间的变化，通常在几年内。

如果单芯片TEC控制器在前端使用失调电压为1μV量级的自稳零放大器，并且不随时间或温度漂移，则可以实现优于±0.01°C的最终温度精度和长期稳定性。

噪声性能 – 纹波电流

降低开关频率可提高电源效率，如果输出滤波电容和输出电感保持相同值，也会增加通过TEC控制器的纹波电流。为了将纹波电流限制在某个限值以下，开关频率必须足够高，因此必须牺牲一些TEC控制器效率。图5显示，对于给定的纹波电流，所需的电感和电容会随着开关频率的增加而减小。

图5.电感和电容与开关频率的关系

对于大多数应用，4μH的典型电感值可以保持小于1%的输出电压纹波，持续1.5A TEC电流和500KHz的默认开关频率。 TEC控制器采用非对称架构（即ADN8830）设计，可将纹波电流减半。

补偿网络优化——稳定性与响应速度

补偿网络会影响响应速度和温度稳定性。为了实现高响应速度，即较短的建立时间和高温稳定性，网络需要精确匹配热负载。然而，这样做并不是一件容易的事。精确匹配的补偿网络为热控制回路的稳定性留下了更少的余量。保守补偿网络会导致更长的建立时间，但可以容忍TEC驱动电流和温度传感器之间热传递特性的更多变化。

一些单芯片TEC控制器使用外部补偿网络，只需要几个电阻器和电容器。设计人员可以根据其热负荷特性调整补偿网络，从而实现最佳温度建立时间和稳定性裕量。

多 TEC 操作 — 与其他 TEC 控制器接口

TEC控制器可以组合在一起，以控制多个TEC的多控制器操作。开关频率需要同步，但开关相位需要交错。交错开关相位可以最大限度地减少施加在电源线上的开关纹波电压。

在多控制器操作中，上电过程应该是顺序的。打开一个TEC控制器，等待温度就绪引脚变为TRUE，表示目标温度等于设定点温度。然后打开下一个 TEC。这样，电源就不会看到大的电流尖峰。因此，频率同步和相位交错控制功能肯定会为此类系统设计增加价值。温度就绪是几乎所有应用的另一个有用功能。

控制、监测和保护

TEC控制器可以单独使用，也可以进行广泛的控制和监控。控制和监控秤需要根据系统需要进行设置。这些是经常控制的参数：目标温度、TEC 最大电流、TEC 控制器关闭等。这些是可以监控的参数：目标温度、TEC 电流、TEC 电压、温度就绪指示等。

为了可靠的系统运行，有效指示系统故障非常重要。防止热敏电阻和TEC开路或短路至关重要。限流和限压功能对于确保系统可靠也很重要。

结论

控制TEC给设计人员带来了许多挑战。系统芯片包括控制TEC所需的大多数功能，因此最大限度地减少了其中的许多挑战。同时，它降低了成本和PCB空间，提高了效率和可靠性，从而实现了最佳的TEC控制功能。选择合适的TEC控制器芯片将有助于工程师实现高性能设计。

审核编辑：郭婷