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全面讲解压力控制器在电信系统中的应用细节分析
编辑:https://www.abdeli.net 来源:mg4355线路检测 发布时间:2019-06-24


      激光二极管在光纤通信系统中用作发射器激光器,用于发射信号和用于掺铒光纤放大器(EDFA)和半导体光放大器(SOA)的泵浦激光器。在这些应用中,必须保持激光器的特性,包括波长,平均光功率,效率和消光比,以确保电信系统的整体性能。然而,这些特性取决于激光器的温度:只要温度漂移,波长就会改变,转换效率会降低。所需的温度稳定性范围为±0.001°C至±0.5°C,应用之间存在差异。
      温度控制需要一个由热敏电阻,热电冷却器(TEC)和压力控制器组成的回路。由于热敏电阻的电阻随温度成比例变化(负或正比例,取决于热敏电阻的类型),因此当配置为分压器时,它可用于将温度转换为电压。压力控制器将该反馈电压与表示目标温度的参考电压进行比较,然后通过控制流过它的电流来调节TEC必须传输的热量。
      上述系统的总图如图1所示。激光二极管,TEC和热敏电阻位于激光模块内。压力控制器将读取热敏电阻的反馈电压,并为TEC提供驱动电压。微控制器用于监控和控制热回路。注意,热回路也可以在模拟电路中构造。压力控制器具有两个内置零漂移斩波放大器,可用作PID补偿器。

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图1.激光模块的温度控制系统。
      本文将全面讲解压力控制器在电信系统中的应用以及电信系统中激光二极管热控系统的组成,并先容主要组件的关键规范。目的是从系统级角度进行设计考虑,为设计人员提供如何构建具有良好温度控制精度,低损耗和小尺寸的高性能系统的总体引导。
TEC:热电冷却技术
      热电冷却器由两个表面陶瓷板和两个交替放置的P型和N型半导体阵列组成,如图2所示。

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图2.带散热片的TEC模块。
      当电流流过这些导体时,热量将在一端被吸取并在另一端被释放,并且当电流方向反转时,热传递也会反转。这个过程称为珀耳帖效应。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。相反的N型半导体具有空穴载流子,并且热量也沿相反方向流动。
      如图3所示,取一对PN半导体并用金属板相互连接,当电流流过时,热量将沿一个方向传递。

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图3.珀耳帖效应:PN半导体对的热流。
      通过改变直流电压的极性,传热方向是可逆的,并且传递的量与电压幅度成比例。凭借其简单性和坚固性,热电冷却应用于电信系统中的热调节的各种应用。
选择TEC模块
      选择TEC模块时,系统中有许多因素需要考虑,例如环境温度,目标物体温度,热负荷,电源电压和模块的物理特性。必须仔细估算热负荷,以确保所选TEC模块具有足够的容量来从系统中抽出热量以维持目标温度。TEC模块制造商通常在数据表中提供两条性能曲线。其中一条性能曲线显示了不同温差(ΔT)与供电电压之间的传热能力,另一条性能曲线显示了在不同电源电压和ΔT组合下所需的冷却/加热电流。设计人员可以估算模块的功率容量,并确定它是否足以满足特定应用。
压力控制器操作和系统设计
      为了使用TEC补偿温度,mg4355娱乐电子游戏压力控制器应能够根据反馈误差产生可逆差分电压,同时提供适当的电压和电流限制。压力控制器的简化系统框图如图4所示。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/电流检测和限制电路以及差分电压驱动器。

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图4.单片压力控制器的框图。
差分电压驱动器
      mg4355娱乐电子游戏压力控制器输出差分电压,使得通过TEC馈送的电流的方向可以将热量从连接到TEC的物体吸走,或者平滑地过渡到相反的极性以加热物体。电压驱动器可以是线性模式,开关模式或混合桥。线性模式驱动器更简单,更小但效率低。另一方面,开关模式驱动器具有高达90%以上的良好效率,但在输出端需要额外的滤波电感和电容。ADN8833和ADN8834采用混合配置,具有一个线性驱动器和一个开关模式驱动器,可将过大的滤波元件数量减少一半,同时保持高效率性能。
      电压驱动器设计对控制器至关重要,因为它占据了大部分功耗和电路板空间。最佳驱动级可以帮助最小化功率损耗,电路尺寸,散热器需求和成本。
使用NTC热敏电阻进行温度检测
      图5显示了负温度系数(NTC)热敏电阻随温度的阻抗。由于其温度依赖性,当连接为分压器时,它可用于将温度转换为电压。典型连接如图6所示,VFB随RTH随温度变化而变化。通过将Rx与热敏电阻串联,温度 - 电压传递函数可以相对于V REF线性化,如图7所示。重要的是将其紧密耦合到模块外壳内的激光器,与外部温度干扰,因此它可以准确地感知温度。

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图5. NTC随温度的阻抗曲线。
 

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图6. NTC热敏电阻连接为分压器以读取温度

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图7. VFB温度过高。
误差放大器和补偿器
      模拟热反馈环路有两级由两个放大器组成,如图8所示。第一个放大器采用热反馈电压(VFB)并将输入转换或调节为线性电压输出。该电压代表物体温度并馈入补偿放大器,在此与温度设定点电压进行比较,产生与差值成比例的误差电压。第二个放大器通常用于构造一个PID补偿器,它由一个极低频极点,两个高频率的独立零点和两个高频极点组成,如图8所示。

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图8.使用压力控制器内部的两个斩波放大器的热反馈回路图。
      PID补偿器可以通过数学方式或经验方式确定。要在数学上对热回路进行建模,需要TEC,激光二极管,连接器和散热器的精确热时间常数,这些常数不容易获得。根据经验调整补偿器更为常见。通过向温度设定点端子断言阶跃函数并改变目标温度,设计人员可以调整补偿网络以最小化TEC温度的稳定时间。
      积极的补偿器可以快速响应热干扰,但也容易变得不稳定,而保守的补偿器缓慢稳定,但可以容忍热干扰,同时可能出现过冲。在系统稳定性和响应时间之间取得平衡非常重要。
压力控制器系统的关键性能
温度调节精度
      即使PID补偿器设计合理,有时仍会出现稳态误差。有几个因素可能导致此错误。
      压力控制器热功率预算:压力控制器和供电电压是设计系统时首先选择的两项。然而,选择可能不正确,因为热负荷不容易估计。在某些情况下,当最大电力施加到压力控制器并且仍然不能满足目标温度时,可能意味着热功率预算不足以处理热负荷。增加电源电压或选择具有更高额定功率的压力控制器可以解决该问题。
      电压参考一致性:电压参考将随温度和时间漂移,如果热回路闭合,这通常不是问题。但是,特别是在数字控制系统中,压力控制器和微控制器的电压基准可能会有不同的偏差,从而导致补偿器看不到的错误。建议对两个电路使用相同的参考电压,使用具有较高驱动能力的电压覆盖另一个电路。
      温度检测:精确检测负载温度对于最小化温度误差至关重要。来自反馈的任何错误都将被引入系统,并且补偿器无法再次纠正。使用高精度热敏电阻和自动调零放大器以避免错误。热敏电阻的放置也很重要。确保它连接到激光器上,以便它可以读取大家控制的实际温度。
效率
      驱动级消耗压力控制器中的大部分功率损耗。在压力控制器中,考虑到输入至输出电压降和负载电流,线性驱动器的功耗非常简单。开关模式驱动器损耗更复杂,可以粗略地分解为导通损耗,开关损耗和转换损耗。传导损耗与RDS ON成正比FET的滤波电阻和滤波电感的直流电阻。通过选择低电阻元件可以减少它。开关损耗和转换损耗在很大程度上取决于开关频率。频率越高,损耗越高,但无源元件尺寸可以减小。为了实现最佳设计,必须仔细考虑效率和空间之间的权衡。
噪音和波纹
      mg4355娱乐电子游戏压力控制器中的开关模式驱动器开关频率为2 MHz,快速PWM开关时钟边沿包含宽频谱,在压力控制器端子处产生电压纹波,并在整个系统中产生噪声。通过添加适当的去耦和纹波抑制电容可以降低噪声和纹波。
      在电源电压轨上,纹波主要是由通常用于开关模式电源的降压拓扑中的PWM FET斩波的不连续电流引起的。并联使用多个SMT陶瓷电容,以降低ESR(等效串联电阻)并局部去耦电源电压。在开关模式驱动器输出节点上,电压纹波是由滤波电感的电流纹波引起的。为了抑制这种纹波,可以将多个SMT陶瓷电容从驱动器的输出并联到地。由于纹波电压主要由电容器ESR和电感器纹波电流的乘积决定:ΔV_压力控制器= ESR×ΔI_L。并联使用多个电容可以有效降低等效ESR。
结论
      在电信系统中设计用于激光二极管的压力控制器系统是一项复杂的工作。除了热精度方面的挑战外,封装尺寸通常非常小,功耗容差也很低。一般而言,设计良好的压力控制器应具备以下优点:
      准确的温度调节
      高效率
      小板尺寸
      低噪声
      电流和电压监测和保护
 

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