熱電致冷的激光器溫度控制電路設(shè)計(jì)

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感知輸出電壓V(OUT值的變化，這就意味著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。通過對輸出電壓VOUT值的控制，當(dāng)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(diào)節(jié)的電壓輸出系統(tǒng)中，要調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)VOUT值，V-FB值最大不超過500 mA，IFB不超過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)控制是一種線性的調(diào)節(jié)，即比例、積分、微分控制。PID控制有模擬PID和數(shù)字PID控制兩種，通常依據(jù)控制器輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，將基本數(shù)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。該算法原理簡單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運(yùn)用于計(jì)算機(jī)輔助測量，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)。圖4是TEC LOOP的控制模型。

該控制模型的控制表達(dá)式為：

其中，Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，Ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)，Kd為微分調(diào)節(jié)系數(shù)，e(k)為每次采樣值與目標(biāo)值的差值，u(k)為每次計(jì)算后用于調(diào)整溫度的DAC值。模型中的反饋部分是將24位DAC的采樣值轉(zhuǎn)換成溫度，當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度的差值通過PID算法計(jì)算出當(dāng)前需要調(diào)整的DAC值，從而來實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
基于以上設(shè)計(jì)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(biāo)測試，測試的激光器是在循環(huán)箱中進(jìn)行，表1為其中波長和光發(fā)射功率的具體測量數(shù)據(jù)。

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

結(jié)語
本文所設(shè)計(jì)的基于TPS63000的溫度控制電路，已成功應(yīng)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激光器長期、穩(wěn)定地工作在設(shè)定溫度下。此模塊工作溫度寬、集成度高、成本低，經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以適用于大多數(shù)集成光通信系統(tǒng)。