EML激光器温度控制系统设计
发布时间：2012-03-16 09:19:36 热度：6973
3/16/2012,在光通信领域中，用于高速、长距离通信的电吸收调制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)对温度稳定性的要求很高，并朝着小型化和高密度化方向发展。EML激光器是第一种大量生产的铟镓砷磷(InGaAsP)光电集成器件。它是在同一半导体芯片上集成激光器光源和电吸收外调制器，具有驱动电压低、功耗低、调制带宽高、体积小，结构紧凑等优点，比传统DFB激光器更适合于高速率、长距离的传输。
EML激光器的输出波长、电流阈值、最大输出功率和最小功率的波动都直接受工作温度的影响。同时，光源的啁啾声受限于光通道的最大允许色散，虽然光纤放大器可延长信号传输距离，但色散值随传输距离的线性累积与光纤放大器无关，因此只能对光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接调制激光器远远满足不了系统对光源性能的要求，就目前技术而言，最简单的方法是使用带温度控制的电吸收激光源。
本设计方案采用体积小且易于控制的热电制冷器(ThermoElectric Cooler，TEC)作为制冷和加热器件，并采用高精度的负温度系数热敏电阻(NTC)作为温度传感器，以MCU为控制核心，对EML激光器进行精密温度控制。EML的内部结构框图如图1所示。虚线框内，上面的二极管负责监控激光器和控制开关，下面的二极管控制背光电流。
1 基于TPS63000的TEC控制电路设计
1.1 TEC的原理分析
TEC制冷器又称半导体制冷器。电荷载体在导体中运动形成电流，当直流通过两种不同的导体材料，接触端上将产生吸热或放热现象，称为帕尔贴效应。TEC热电制冷器正是利用了帕尔贴效应实现制冷或制热，具有无噪声、无磨损、无污染、制冷(热)速度快、可靠性高、体积小、控制调节方便等特点。
目前，大多数EML激光器内部都集成有TEC和热敏电阻，但其控制电路需采用专用芯片或自行设计，否则激光器不能正常工作。常用的TEC控制电路包括2个PWM降压变换器、4个开关(S1～S4)、2个二极管(D1和D2)、2个滤波电感(L1和L2)、2个电容(C1和C2)。TEC与电容C1并联分别接PWMl和PWM2降压变换器，PWMl和PWM2产生的输出直流电压为V1、V2。提供给TEC的电流ITBC=(V1-V2)/RTRC，RTEC为TEC两电极间的阻抗。这种控制电路典型应用于Maxim公司的MAX8521、MAXl968以及Linear公司的LTC1923芯片中，主要存在以下的缺点：
①EMI较大。控制电路中的两个滤波电感会对周围产生电磁干扰，且滤波电感的回路阻抗易发生突变而导致产生尖锐的脉冲。
②外围电路器件数量庞大。温度的反馈信号以及其参数设置均采用模拟电路，从而使应用的成本和复杂性增加，TEC工作参数的设置不灵活。
③TEC的温控精度不高。由于采用的是模拟的控制方式，外接误差积分的运算放大器以及数/模转换器的量化误差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。
④模式切换较复杂。控制电路在双PWM降压变换器驱动模式下采取模拟的控制方式，没有运行模式选择功能。
1.2 硬件电路结构设计
本文设计了一种基于TPS63000的TEC控制电路，采用数字式PID控制，具有温控精度高、外围电路简单、执行部件的转换效率高等优点。
TI公司的TPS63000是一款升降压电源管理芯片，DC/DC转换器可在1.8～5.5 V的宽电压范围内实现高达96%的效率。该芯片在降压和升压模式之间可自动转换，同时支持电流流入模式。在降压模式下电压为3.3 V输出时，输出电流最大可达1200 mA;在升压模式下电压为3.3 V或5 V输出时，输出电流最大可达800 mA。
根据CyOptics公司的10 Gb/s Cooled EML的使用手册可知，激光器的可操作温度范围在-40～90℃，TEC热电制冷器的电流ITEC为-1.5～1.5 A，VTEC为-3.3～3.3 V，热敏电阻的电流ITHC不得超过100μA，中心波长的范围为1530～1565 nm，且温度每变化1℃波长偏移不得超过0.13 nm。
结合激光器的具体指标，要做到对TEC温度的精确控制，可分为以下3步：
①热敏电阻实时监控温度;
②TEC上电流方向实现制冷和加热;
③PID控制准确、快速、稳定地控制TEC电流。
TEC控制系统是一个典型的闭环反馈控制系统，其结构如图2所示。
EML内部集成的高灵敏度NTlC热敏电阻，温度特性波动小、对各种温度变化响应快，材料一般为薄膜铂电阻。电阻的阻值与温度的关系是非线性的，可用公式表示为：R=RTO×EXP{B(1/T-1/TO)}
其中，T0为温度的初始值，B为热敏指数。
热敏电阻作为传感器探测激光器内部温度，并将温度转换为自身阻值的变化，然后由温度控制电路将电阻的变化转换为电压的变化，其转换精度决定了测温的精度。转换后电压值的大小决定TEC LOOP电路的电流的流向(流入还是流出)，以此来实现TEC控制电路的制冷或制热。
图3为设计的TEC LOOP电路。
在TPS6300X系列芯片中，为了更好地控制输出电压VOUT，通常用FB引脚电压值的变化来感知输出电压V(OUT值的变化，这就意味着FB引脚要和VOUT引脚直接相连。
可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC。其中，K1、K2为常量，VDAC为MCU的控制电压。通过对输出电压VOUT值的控制，当电流由ITEC(+)流向ITEC(-)时，激光器将制冷，反之制热。
在这个可调节的电压输出系统中，要调节VOUT值，还要用一个外部的分压电阻连接在FB、VOUT和GND之间。为了能正常地调节VOUT值，V-FB值最大不超过500 mA，IFB不超过0.01μA，RB的阻值小于500 kΩ。分压电阻RA阻值由VFB、YOUT和RB确定。
1.3 TEC LOOP控制算法
PID(Proportional Integral Derivative)控制是一种线性的调节，即比例、积分、微分控制。PID控制有模拟PID和数字PID控制两种，通常依据控制器输出与执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID。本文中TEC LOOP控制采用了适合于温度控制的位置式PID控制算法。该算法原理简单，只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量，结构简单易于实现。图4是TEC LOOP的控制模型。
该控制模型的控制表达式为：
其中，Kp为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Kd为微分调节系数，e(k)为每次采样值与目标值的差值，u(k)为每次计算后用于调整温度的DAC值。模型中的反馈部分是将24位DAC的采样值转换成温度，当前温度与目标温度的差值通过PID算法计算出当前需要调整的DAC值，从而来实现温度的精确控制。
2 实验结果及分析
基于以上设计的TEC控制电路，分别对4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三种温度下进行3.3(1±10%)V的一些性能指标测试，测试的激光器是在循环箱中进行，表1为其中波长和光发射功率的具体测量数据。
从表中可以看出，当TEC控制在42℃，4只EML激光器分别工作在-10℃、25℃、75℃时，中心波长的偏移均不超过0.2 nm，光功率的变化在±1 dB之内。根据CyOptics公司的lO Gb/s Cooled EML的使用手册可知，光功率、中心波长完全满足TDM(时分复用)的要求，波长的变化范围也可以满足WDM(波分复用)应用需求。
结语
本文所设计的基于TPS63000的温度控制电路，已成功应用在CyOptics公司的EML激光器中。
实际使用证明：该电路可以有效地对TEC的温度进行控制，能够使EML激光器长期、稳定地工作在设定温度下。此模块工作温度宽、集成度高、成本低，经过进一步优化设计还可以适用于大多数集成光通信系统。
EML激光器的输出波长、电流阈值、最大输出功率和最小功率的波动都直接受工作温度的影响。同时，光源的啁啾声受限于光通道的最大允许色散，虽然光纤放大器可延长信号传输距离，但色散值随传输距离的线性累积与光纤放大器无关，因此只能对光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接调制激光器远远满足不了系统对光源性能的要求，就目前技术而言，最简单的方法是使用带温度控制的电吸收激光源。
本设计方案采用体积小且易于控制的热电制冷器(ThermoElectric Cooler，TEC)作为制冷和加热器件，并采用高精度的负温度系数热敏电阻(NTC)作为温度传感器，以MCU为控制核心，对EML激光器进行精密温度控制。EML的内部结构框图如图1所示。虚线框内，上面的二极管负责监控激光器和控制开关，下面的二极管控制背光电流。
1 基于TPS63000的TEC控制电路设计
1.1 TEC的原理分析
TEC制冷器又称半导体制冷器。电荷载体在导体中运动形成电流，当直流通过两种不同的导体材料，接触端上将产生吸热或放热现象，称为帕尔贴效应。TEC热电
目前，大多数EML激光器内部都集成有TEC和热敏电阻，但其控制电路需采用专用芯片或自行设计，否则激光器不能正常工作。常用的TEC控制电路包括2个PWM降压变换器、4个开关(S1～S4)、2个二极管(D1和D2)、2个滤波电感(L1和L2)、2个电容(C1和C2)。TEC与电容C1并联分别接PWMl和PWM2降压变换器，PWMl和PWM2产生的输出直流电压为V1、V2。提供给TEC的电流ITBC=(V1-V2)/RTRC，RTEC为TEC两电极间的阻抗。这种控制电路典型应用于Maxim公司的MAX8521、MAXl968以及Linear公司的LTC1923芯片中，主要存在以下的缺点：
①EMI较大。控制电路中的两个滤波电感会对周围产生电磁干扰，且滤波电感的回路阻抗易发生突变而导致产生尖锐的脉冲。
②外围电路器件数量庞大。温度的反馈信号以及其参数设置均采用模拟电路，从而使应用的成本和复杂性增加，TEC工作参数的设置不灵活。
③TEC的温控精度不高。由于采用的是模拟的控制方式，外接误差积分的运算放大器以及数/模转换器的量化误差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。
④模式切换较复杂。控制电路在双PWM降压变换器驱动模式下采取模拟的控制方式，没有运行模式选择功能。
1.2 硬件电路结构设计
本文设计了一种基于TPS63000的TEC控制电路，采用数字式PID控制，具有温控精度高、外围电路简单、执行部件的转换效率高等优点。
TI公司的TPS63000是一款升降压电源管理芯片，DC/DC转换器可在1.8～5.5 V的宽电压范围内实现高达96%的效率。该芯片在降压和升压模式之间可自动转换，同时支持电流流入模式。在降压模式下电压为3.3 V输出时，输出电流最大可达1200 mA;在升压模式下电压为3.3 V或5 V输出时，输出电流最大可达800 mA。
根据CyOptics公司的10 Gb/s Cooled EML的使用手册可知，激光器的可操作温度范围在-40～90℃，TEC热电制冷器的电流ITEC为-1.5～1.5 A，VTEC为-3.3～3.3 V，热敏电阻的电流ITHC不得超过100μA，中心波长的范围为1530～1565 nm，且温度每变化1℃波长偏移不得超过0.13 nm。
结合激光器的具体指标，要做到对TEC温度的精确控制，可分为以下3步：
①热敏电阻实时监控温度;
②TEC上电流方向实现制冷和加热;
③PID控制准确、快速、稳定地控制TEC电流。
TEC控制系统是一个典型的闭环反馈控制系统，其结构如图2所示。
EML内部集成的高灵敏度NTlC热敏电阻，温度特性波动小、对各种温度变化响应快，材料一般为薄膜铂电阻。电阻的阻值与温度的关系是非线性的，可用公式表示为：R=RTO×EXP{B(1/T-1/TO)}
其中，T0为温度的初始值，B为热敏指数。
热敏电阻作为传感器探测激光器内部温度，并将温度转换为自身阻值的变化，然后由温度控制电路将电阻的变化转换为电压的变化，其转换精度决定了测温的精度。转换后电压值的大小决定TEC LOOP电路的电流的流向(流入还是流出)，以此来实现TEC控制电路的制冷或制热。
图3为设计的TEC LOOP电路。
在TPS6300X系列芯片中，为了更好地控制输出电压VOUT，通常用FB引脚电压值的变化来感知输出电压V(OUT值的变化，这就意味着FB引脚要和VOUT引脚直接相连。
可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC。其中，K1、K2为常量，VDAC为MCU的控制电压。通过对输出电压VOUT值的控制，当电流由ITEC(+)流向ITEC(-)时，激光器将制冷，反之制热。
在这个可调节的电压输出系统中，要调节VOUT值，还要用一个外部的分压电阻连接在FB、VOUT和GND之间。为了能正常地调节VOUT值，V-FB值最大不超过500 mA，IFB不超过0.01μA，RB的阻值小于500 kΩ。分压电阻RA阻值由VFB、YOUT和RB确定。
1.3 TEC LOOP控制算法
PID(Proportional Integral Derivative)控制是一种线性的调节，即比例、积分、微分控制。PID控制有模拟PID和数字PID控制两种，通常依据控制器输出与执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID。本文中TEC LOOP控制采用了适合于温度控制的位置式PID控制算法。该算法原理简单，只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量，结构简单易于实现。图4是TEC LOOP的控制模型。
该控制模型的控制表达式为：
其中，Kp为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Kd为微分调节系数，e(k)为每次采样值与目标值的差值，u(k)为每次计算后用于调整温度的DAC值。模型中的反馈部分是将24位DAC的采样值转换成温度，当前温度与目标温度的差值通过PID算法计算出当前需要调整的DAC值，从而来实现温度的精确控制。
2 实验结果及分析
基于以上设计的TEC控制电路，分别对4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三种温度下进行3.3(1±10%)V的一些性能指标测试，测试的激光器是在循环箱中进行，表1为其中波长和光发射功率的具体测量数据。
从表中可以看出，当TEC控制在42℃，4只EML激光器分别工作在-10℃、25℃、75℃时，中心波长的偏移均不超过0.2 nm，光功率的变化在±1 dB之内。根据CyOptics公司的lO Gb/s Cooled EML的使用手册可知，光功率、中心波长完全满足TDM(时分复用)的要求，波长的变化范围也可以满足WDM(波分复用)应用需求。
结语
本文所设计的基于TPS63000的温度控制电路，已成功应用在CyOptics公司的EML激光器中。
实际使用证明：该电路可以有效地对TEC的温度进行控制，能够使EML激光器长期、稳定地工作在设定温度下。此模块工作温度宽、集成度高、成本低，经过进一步优化设计还可以适用于大多数集成光通信系统。
