熱電致冷的激光器溫度控制電路設計

在TPS6300X系列芯片中，為了更好地控制輸出電壓VOUT，通常用FB引腳電壓值的變化來(lái)感知輸出電壓V(OUT值的變化，這就意味著(zhù)FB引腳要和VOUT引腳直接相連。

可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC。其中，K1、K2為常量，VDAC為MCU的控制電壓。通過(guò)對輸出電壓VOUT值的控制，當電流由ITEC(+)流向ITEC(-)時(shí)，激光器將制冷，反之制熱。
在這個(gè)可調節的電壓輸出系統中，要調節VOUT值，還要用一個(gè)外部的分壓電阻連接在FB、VOUT和GND之間。為了能正常地調節VOUT值，V-FB值最大不超過(guò)500 mA，IFB不超過(guò)0．01μA，RB的阻值小于500 kΩ。分壓電阻RA阻值由VFB、YOUT和RB確定。
1．3 TEC LOOP控制算法
PID(Proportional Integral Derivative)控制是一種線(xiàn)性的調節，即比例、積分、微分控制。PID控制有模擬PID和數字PID控制兩種，通常依據控制器輸出與執行機構的對應關(guān)系，將基本數字PID算法分為位置式PID和增量式PID。本文中TEC LOOP控制采用了適合于溫度控制的位置式PID控制算法。該算法原理簡(jiǎn)單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，結構簡(jiǎn)單易于實(shí)現。圖4是TEC LOOP的控制模型。

該控制模型的控制表達式為：

其中，Kp為比例調節系數，Ki為積分調節系數，Kd為微分調節系數，e(k)為每次采樣值與目標值的差值，u(k)為每次計算后用于調整溫度的DAC值。模型中的反饋部分是將24位DAC的采樣值轉換成溫度，當前溫度與目標溫度的差值通過(guò)PID算法計算出當前需要調整的DAC值，從而來(lái)實(shí)現溫度的精確控制。

2 實(shí)驗結果及分析
基于以上設計的TEC控制電路，分別對4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三種溫度下進(jìn)行3．3(1±10％)V的一些性能指標測試，測試的激光器是在循環(huán)箱中進(jìn)行，表1為其中波長(cháng)和光發(fā)射功率的具體測量數據。

從表中可以看出，當TEC控制在42℃，4只EML激光器分別工作在-10℃、25℃、75℃時(shí)，中心波長(cháng)的偏移均不超過(guò)0．2 nm，光功率的變化在±1 dB之內。根據CyOptics公司的lO Gb／s Cooled EML的使用手冊可知，光功率、中心波長(cháng)完全滿(mǎn)足TDM(時(shí)分復用)的要求，波長(cháng)的變化范圍也可以滿(mǎn)足WDM(波分復用)應用需求。

結語(yǔ)
本文所設計的基于TPS63000的溫度控制電路，已成功應用在CyOptics公司的EML激光器中。實(shí)際使用證明：該電路可以有效地對TEC的溫度進(jìn)行控制，能夠使EML激光器長(cháng)期、穩定地工作在設定溫度下。此模塊工作溫度寬、集成度高、成本低，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化設計還可以適用于大多數集成光通信系統。