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简单的单芯片电路加热/冷却激光器的TEC


光学网络系统中最关键的设备是激光二极管,因为它负责将电子数据转换为光脉冲。必须仔细控制该二极管以稳定光输出,温度是确定光波长的关键变量。热电冷却器(TEC)通常用作此稳定过程的一部分。由于TEC具有许多不同的功率级别,并且具有独特的功率要求,因此需要使用特定类型的电源来正确驱动它们。

TEC将热能从一个板传递到另一个板,以使第一个板变凉或变暖。TEC本身并不消耗能量。换句话说,没有能量损失,但是操作TEC需要能量。TEC被建模为一个简单的电阻器,可以承受其两端的一定电压和通过它的电流。对于给定的TEC,该功率对应于两个板之间的相对温差。施加的功率越高,板之间的温差越高。


1.显示的是一个简单电路(TI参考设计PMP9759)的示例,该电路双向驱动流过TEC的电流。单芯片降压-升压转换器需要最少的组件数量。

TEC的重要方面是其加热和冷却的能力。由于TEC是永久性安装或连接到需要温度调节的激光器或其他设备上的,因此只有一块板可以控制激光器的温度。另一块板必须安装到散热器上,以释放从第一块板移出的能量。两块板都需要良好的热连接,以实现系统性能。

一旦安装到系统中,这些板就不能反转。TEC必须支持给定方向的冷却和加热。TEC通过控制电流的方向来支持这种补充功能。沿一个方向流动的电流会冷却一个板并加热另一个板,而沿相反方向流动的电流会逆转此动作,从而加热第一个板并冷却第二个板。与仅在一个方向上流动的电流相比,其结果是温度控制范围更广。

由于TEC需要双向电流才能达到所需的性能,因此其电源也必须支持这种双模式。但是,许多电源只能提供电流。因此,需要设计专用电路来在需要冷却与加热时交换从电源到TEC的连接,这会使电源的实现复杂化。


2.该电路仅通过一个转换器和几个无源元件就可产生流经TEC的双向电流。

一种替代方法是设计一种电源,该电源可以在不连接TEC的情况下产生和吸收电流,从而满足电流需求。但是,只有某些电源设计支持拉电流和灌电流。此外,电源必须支持接近零电流值的操作,这是一个常见的工作点。

1中的电源是可以为低功率TEC提供和吸收电流的电路。例如,使用降压/升压转换器(例如TPS63020)对提供的输入电压进行降压或升压,以生成所需的电流方向。降压-升压转换器的拓扑支持较宽的输出电压范围,在这种情况下为1.25.5V

通过集成所有功率MOSFET并需要最少的外部组件,对于尺寸至关重要的低功率TEC(例如最小的光网络模块),该电路是更可取的方法。降压-升压转换器由光网络模块中的公共3.3V电源供电。TEC与电源的连接(图2允许TEC上的电压差为+ 2.1V–2.2V。此外,在这种配置中,很容易支持接近零电流的普通工作点。

TEC方向对其加热或冷却至关重要。现代电子产品通常看起来有些温暖,易于进一步加热。但是,通常很难将TEC冷却到足以达到所需的激光波长。因此,将TEC接线,以便在降压-升压转换器提供电流时冷却它。与许多源极和漏极转换器一样,TPS63020所能提供的电流要大于其所能吸收的电流。因此,在下沉时它可以提供较少的功率,因此应使用下沉电流来加热TEC


3.在完整的闭环TEC温度调节电路中,MCU读取温度传感器并生成输出控制信号到降压-升压转换器,以适当地调节TEC的温度。

在整个系统(图3)中,微控制器(MCU)监视TEC上的温度传感器。根据TEC的实际温度与所需温度(设定点),MCU调整控制信号(CTRL),以将降压-升压转换器移至新的工作点,以提供或吸收更多或更少的电流来调整温度。

 

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