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1、激光器对冷却水的要求 激光器冷却水温度必须设置在最严苛运行环境的露点温度以上。 避免自带空调的激光器内、外环境结露自带空调的激光器仍有可能造成内环境结露使用自带空调且暴露在工作环境中的激光器时，空调的制冷和除湿作用会大大降低激光器内 环境的露点温度。一般设置工业空调的制冷温度和冷却水温度一致。当环境温度低于38弋，工业空调能够维持激光器内环境的安全，但激光器外壳表面可能有结露现象。如果结露不形成流动水珠就安全，如果有大量流动水珠，且在激光器四周地下有 明显水渍，必须为带空调的激光器再建立一个安全不结露工作环境。当环境温度高于38弋，工业空调的制冷量不足以维持激光器内环境的安全，仍会出现内环境结
2、露，时间一长，外环境也会跟随结露。因此激光器四周不能有明显热源，水冷机的热出风口不能正对激光器。为消除激光器内环境结露风险，建议为激光器配置独立空调间。避免加工头内环境结露 换季或当天气温变化较大时出现加工不正常可以检查是否发生加工内环境结露。如何精确把控激光器的温度：在光纤电信系统中，激光二极管用作发送信号的发射激光器，以及掺铒光纤放大器(EDFA)和半导体光放大器(SOA)的泵激光器。在这些应用中，激光器的特性(包括波长、平均光功率、效率和消光比)必须保持稳定以确保电信系统的整体性能良好。然而，这些特性 取决于激光器的温度：只要温度发生漂移，波长就会改变，转换效率将会降低。要求的温度稳定性
3、介于0001C至0.5C,具体数值视应用而定。为了控制温度，需要一个由热敏电阻、热电冷却眾TEC）和TEC控制器组成的环路。热敏电阻的阻值与温度成比例变化（反比或正比，取决于热敏电阻类型），当配置为分压器时，可利用它来将温度转换为电压oTEC控制器将该反馈电压与代表目标温度的基准电压进行比上述系统的一般框图如图1所示。激光二极管、TEC和热敏电阻位于激光模块内部。TEC控制器ADN8833或ADN8834读取热敏电阻的反馈电压，并向TEC提供驱动电压。 使用微控制器监测和控制热环路。注意，热环路也可以在模拟电路中构建ADN8834内置 两个零漂移斩波放大器，可将其用作PID补偿器。本文将说明电
4、信系统中激光二极管热控制系统的组成，并介绍主要器件的关健规格。本 文的目的是从系统角度阐述各项设计考虑，为设计人员构建一个具有良好温度控制精度、低 损耗、小尺寸的高性能系统提供全局性指南。TEC:热电冷却技术热电冷却器包括两片表面陶瓷板，其间交替放置P型和N型半导体阵列，如图2所示。图2.带散热器的TEC模块当电流流经这些导体时，热量将在一端吸收并在另一端释放；当电流方向相反时，热传 输也会反向。该过程称为珀尔帖效应。N型半导体中的载流子是电子，因此，其载流子和 热量从阳极流向阴极。对面的N型半导体具有空穴载流子，热量也沿相反方向流动。 取一对P-N半导体对，用金属板将其连接起来，如图3所示；
5、当电流流过时，热量将沿一 个方向传输。Absorb HeatOI NPRelease Heat图3.珀尔帖效应：P-N半导体对的热流改变直流电压的极性可改变热传输方向，传输的热量与电压幅度成比例。由于既简单又 鲁棒，热电冷却被广泛用于电信系统的热调理。如何选择 TEC 模块：选择TEC模块时，需要考虑系统中的许多因素，如环境温度、对象目标温度、热负荷、 电源电压和模块的物理特性等。必须认真评估热负荷，确保所选TEC模块有足够的容量来 将热量从系统泵出以维持目标温度。TEC模块制造商在数据手册中通常会提供两条性能曲线。一条曲线显示电源电压范围内不同 温差(AT)下的热传输容量，另一条曲线显示电源
6、电压和AT的不同组合所需要的冷却/加热电 流。设计人员可以估计模块的功率容量，确定它能否满足特定应用需要。TEC控制器操作和系统设计为了利用TEC补偿温度，TEC控制器应能根据反馈误差产生可逆差分电压，并提供适当的电压和电流限值。图4为ADN8834的简化系统框图。主要功能模块包括温度检测电路、误差放大器和补偿器、TEC电压/电流检测和限值电路、差分电压驱动器。00TEC ControllerTEC Voltage/Current Sense CircuitTEC-Dtfferential Voltage DriverTemperatureSansing CircuitError Amplif
7、ier and CompensatorTEC Voltage/Current Limit Ctrcutl图4.单芯片TEC控制器ADN8834功能框图差分电压驱动器TEC控制器输出一个差分电压，使得通过TEC的电流可以带走连接到TEC的对象的热量， 或者平稳地变为相反极性以加热该对象。电压驱动器可以是线性模式、开关模式或混合电桥。线性模式驱动器更简单且更小，但效率不佳。开关模式驱动器具有良好的效率高达90%以上但输出端需要额外的滤波电感和电容。ADN8833和ADN8834使用混合配置， 含有一个线性驱动器和一个开关模式驱动器，体积较大滤波元件的数量减半，同时能够保持 高效率性能。电压驱动器设
8、计对控制器至关重要，因为它占用了大部分功耗和电路板空间。优化的驱动器 级有助于最大程度地缩减功率损耗、电路尺寸、散热器需求和成本。如何利用NTC热敏电阻检测温度：图5显示了负温度系数(NTC)热敏电阻在温度范围内的阻抗。由于它与温度具有相关性，因此可将其连接为分压器，从而将温度转换为电压。图5. NTC阻抗与温度的关系曲线典型连接如图6所示。当RTH随温度而变化时，VFB也会变化。图6. NTC热敏电阻连接为分压器以将温度转换为电压增加一个Rx与热敏电阻串联，便可相对于VREF将温度电压传递函数线性化，如图7所示。必须将其与模块壳内部的激光器紧密耦合，隔绝外部温度波动影响，使其能精确检测 温度
9、。误差放大器和比较器模拟热反馈环路包括两级，由两个放大器构成，如图 8 所示。第一个放大器接受热反 馈电压(VFB)，将该输入转换或调节为线性电压输出。此电压代表对象温度，馈入补偿放大 器中，与温度设定电压进行比较，产生一个与二者之差成比例的误差电压。第二个放大器通 常用来构建一个 PID 补偿器，后者包括一个极低频率极点、两个不同的较高频率零点和两 个高频极点，如图8所示。大湾区工博会图 8. 使用 ADN8834 内部两个斩波放大器的热反馈环路图PID补偿器可通过数学方法或经验方法确定。要从数学上模拟热环路，需要TEC、激光 二极管、连接器和散热器的精确热时间常数，这不太容易获得。利用经验
10、方法调谐补偿器更 为常见。通过假定温度设定端具有某个阶跃函数并改变目标温度，设计人员可以调整补偿网 络，使TEC温度的建立时间最短。激进补偿器会对热扰动快速作出反应，但也很容易变得不稳定，而保守补偿器建立得较 慢，但能耐受热扰动，发生过冲的可能性更小。系统稳定性和响应时间之间必须达到平衡。 TEC控制器系统的关键性能：有时候，即便PID补偿器设计得当，稳态误差仍会存在。下面是引起该误差的几个素。TEC热功率预算：设计该系统时，TEC和电源电压是最先选定的事情。然而，由于热 负荷不容易估计，选择可能不正确。某些情况下，若将最大功率应用于 TEC 但仍不能达到 目标温度，可能意味着热功率预算不足以
11、处理热负荷。提高电源电压或挑选具有更高功率额 定值的 TEC 可解决这个问题。基准电压源一致性：基准电压源会随温度和时间而漂移，对于闭合热环路，这通常不是 问题。但是，尤其是在数字控制系统中，TEC控制器和微控制器的基准电压源可能有不同的 漂移，引起补偿器不会察觉的误差。建议这两个电路采用相同的基准源，用具有较高驱动能 力的电压覆盖另一电压。温度检测：为使温度误差最小，精确检测负载温度非常重要。任何来自反馈的误差都会 进入系统，补偿器同样不能纠正这种误差。使用高精度热敏电阻和自稳零放大器可避免误差。 热敏电阻的布置也很重要。确保将它安装到激光器上，以便能够读取我们要控制的实际温度。效率大湾区工
12、博会TEC控制器的大部分功耗是由驱动器级消耗的。在ADN8833/ADN8834中，线性驱 动器的功耗可根据输入至输出压降和负载电流直接得出。开关模式驱动器的损耗较为复杂， 大致可分解为三部分：传导损耗、开关损耗和转换损耗。传导损耗与FET的RDSON和滤 波电感的直流电阻成比例。选择低电阻元件可降低传导损耗。开关损耗和转换损耗高度依赖 于开关频率。频率越高，损耗越高，但无源元件尺寸可减小。为实现最优设计，必须仔细权 衡效率与空间。噪声和纹波ADN8833/ADN8834中的开关模式驱动器以2MHz频率切换，快速PWM开关时钟 沿包含很宽的频谱，会在 TEC 端产生电压纹波，并且在整个系统中产
13、生噪声。增加适当的 去耦和纹波抑制电容可降低噪声和纹波。对于开关模式电源常用的降压拓扑，电源电压轨上的纹波主要由PWM FET斩波的断 续电流所引起。并联使用多个SMT陶瓷电容可降低ESR（等效串联电阻）并在局部给电源电 压去耦。在开关模式驱动器输出节点，电压纹波由滤波电感的电流纹波引起。为抑制此纹波， 应在驱动器输出端到地之间并联使用多个SMT陶瓷电容。纹波电压主要由电容ESR与电感 纹波电流的乘积决定：AV_TEC = ESR x AI_L并联使用多个电容可有效降低等效ESR。 结论设计电信系统中激光二极管的 TEC 控制器系统是一项很复杂的工作。除了热精度方面 的挑战之外，封装尺寸通常非常小，功耗容差也很低。一般而言，设计精良的TEC控制器 应具备如下优点：精准温度调节 高效率凶割*
