1 溫度控制原理

1.1 熱電制冷器

熱電制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC）利用的是固體的熱電效應(yīng)。相比其它的制冷技術(shù)TEC有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、啟動(dòng)快、控制靈活、操作具有可逆性等，因此TEC在光器件溫度控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了充分的應(yīng)用，特別是在器件工作溫度范圍比較寬的情況下它的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

熱電制冷器是由一系列P型N型半導(dǎo)體構(gòu)成的電偶對(duì)串聯(lián)而成，由于帕爾帖效應(yīng)，在電偶對(duì)形成的閉合回路中通以直流電流時(shí)，在其兩端的節(jié)點(diǎn)處將分別產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。如圖1所示，每個(gè)電偶的熱效應(yīng)是互相獨(dú)立的，因此在熱量的方向上它們是并行的，這樣TEC的熱轉(zhuǎn)移效率得到了很大的提高。TEC有兩個(gè)端面，當(dāng)在TEC兩端加電壓的時(shí)候，電流就沿著某一方向流過TEC，此時(shí)TEC的一端（熱端）被加熱，另一端（冷端）被制冷，當(dāng)電流反向時(shí)，TEC熱量轉(zhuǎn)移的方向?qū)?huì)發(fā)生變化，原來熱端變成冷端，冷端變成熱端。通常將需要控制溫度的目標(biāo)物體放置在TEC的冷端，散熱片放置在TEC的熱端，改變通過TEC的電流方向來加熱或者制冷目標(biāo)物體。通過TEC的電流越大，TEC兩端的熱量轉(zhuǎn)移越多，當(dāng)電流達(dá)到某一值時(shí)，冷端放出的熱量等于熱端吸收的熱量，此時(shí)冷端的溫度停止變化，目標(biāo)物體的溫度達(dá)到穩(wěn)定。

圖1 TEC結(jié)構(gòu)圖

1.2 溫度控制原理

TEC控制器采用的是ADI公司的溫度控制芯片ADN8831。TEC控制的整個(gè)流程，如圖2所示。

圖2 TEC控制的框圖

第一部分是溫度傳感。它的作用是反饋目標(biāo)物體的溫度，為了提高溫度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，熱敏電阻應(yīng)盡可能地靠近目標(biāo)物體。本系統(tǒng)采用的是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，阻值隨著溫度的升高而變小。溫度—電壓的轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示，感應(yīng)的目標(biāo)溫度與輸出電壓成正比關(guān)系。

  （1）

定義溫度下限Tlow時(shí)Vtempout=0V，中間值TMID時(shí)Vtempout=VREF/2，上限THIGH時(shí)Vtempout=VREF，這樣就可以通過改變R1，R2，R3的值來設(shè)定溫度控制的范圍。

圖3 溫度電壓轉(zhuǎn)換電話和硬件PID控制電路

第二部分是差分放大。即將目標(biāo)溫度對(duì)應(yīng)下的電壓和設(shè)定溫度點(diǎn)的電壓進(jìn)行比較之后比例放大。

第三部分是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用硬件PID（比例—積分—微分）控制，由運(yùn)放、電阻、電容組成，它的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高。比例調(diào)節(jié)的作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，一旦系統(tǒng)有偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生作用以減小系統(tǒng)偏差。比例作用大可加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)，但過大的比例系數(shù)會(huì)到導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)的作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變慢。微分調(diào)節(jié)的作用是反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，能預(yù)見偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中應(yīng)注意折中超調(diào)和快速響應(yīng)的問題，當(dāng)超調(diào)較嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小比例系數(shù)、增加積分時(shí)間、減小微分時(shí)間，響應(yīng)速度慢時(shí)，調(diào)節(jié)方法與上面相反。

ADN8831作為H橋的驅(qū)動(dòng)器工作在線性、開關(guān)兩種模式下，線性模式下效率雖然很低但減小了外圍器件的體積，開關(guān)模式則恰好相反，因此這種設(shè)計(jì)達(dá)到互補(bǔ)的效果。

第五部分是由四個(gè)功率MOSFET組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路。H橋是分別由兩個(gè)P型、N型功率MOSFET對(duì)和TEC組成的。四個(gè)MOSFET組成H的4條垂直腿，而TEC組成H的橫杠，TEC相當(dāng)于一個(gè)阻值很小的電阻，如圖4所示。當(dāng)ADN8831驅(qū)動(dòng)Q1、Q3導(dǎo)通時(shí)，電流沿 的方向流過TEC，TEC的冷端變成熱端放出熱量對(duì)目標(biāo)物體加熱，Q2、Q4導(dǎo)通時(shí)，電流沿 的方向流過TEC，此時(shí)目標(biāo)物體被制冷。切斷任意對(duì)角線上的兩個(gè)MOSFET的開關(guān)信號(hào)使電流沿單方向流過TEC，此時(shí)ADN8831可以控制除TEC外的加熱源，如加熱片、大功率電阻等。

圖4 TEC控制的H橋結(jié)構(gòu)

第六部分是LC濾波電路。為了提高TEC溫度的穩(wěn)定性，流過TEC的紋波電流應(yīng)盡可能的小，在H橋之后必須加LC濾波電路濾除PWM的開關(guān)頻率以達(dá)到穩(wěn)定TEC電壓的目的。高的開關(guān)頻率雖然減小了電感、電容的體積，但同時(shí)也會(huì)帶來EMI的影響，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮這些因素。

2 ADN8831的應(yīng)用

基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的F-P（法布里-珀羅）腔可調(diào)諧光濾波器（TOF），由于構(gòu)成其腔長度的支撐材料具有一定的熱膨脹系數(shù)，因此當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，腔長會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，這樣TOF的中心波長就會(huì)發(fā)生漂移，最終會(huì)影響信號(hào)波的鎖定。另外，利用溫度對(duì)中心波長的影響，可以通過控制TOF的工作溫度使起始波長漂移到系統(tǒng)所要求的波長范圍，這樣通過溫度控制克服了工藝過程中起始波長難以控制的問題。

基于G-T（Gires-Tournois）標(biāo)準(zhǔn)具的多波長可調(diào)諧色散補(bǔ)償器（TDC），利用G-T標(biāo)準(zhǔn)具，使光信號(hào)中不同的光譜分量所傳輸?shù)墓獬滩畈煌a(chǎn)生周期性的色散補(bǔ)償效果。影響光程差的因素有標(biāo)準(zhǔn)具諧振腔的折射率、腔長、入射角，當(dāng)改變G-T腔的溫度時(shí)，折射率和腔長的變化會(huì)造成光程差的改變，使得色散曲線發(fā)生平移，從而實(shí)現(xiàn)色散的調(diào)節(jié)。此時(shí)利用材料的溫度特性，只要溫度控制精度高、響應(yīng)時(shí)間快就可以設(shè)計(jì)出可動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)腡DC。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 TOF的穩(wěn)定性與波長控制實(shí)驗(yàn)

調(diào)節(jié)ADN8831的參數(shù)，設(shè)定可控制的溫度范圍，由公式（1）當(dāng)設(shè)定溫度控制在50℃-95℃時(shí)，計(jì)算R1，R2，R3的值。當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，目標(biāo)物體溫度電壓和設(shè)定溫度電壓是相等的，所以由公式（1）計(jì)算出各溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值，進(jìn)而通過DAC設(shè)定TOF的工作溫度。

由于TOF芯片的溫度敏感性，當(dāng)環(huán)境溫度從-5℃變化到65℃時(shí)，中心波長隨溫度的變化如圖5-a所示，在此過程中若沒有溫度控制中心波長將向長波漂移13nm。采用ADN8831控制TOF的溫度在92℃，在同樣環(huán)境溫度變化情況下，中心波長僅漂移0.5nm，中心波長穩(wěn)定性得到很大提高。溫度對(duì)起始波長的控制如圖5-b所示，常溫下電壓單獨(dú)作用時(shí)，中心波長只能到達(dá)1557.94nm，這樣就不能滿足C波段的信號(hào)濾波，此時(shí)必須提高TOF的工作溫度使中心波長向長波漂移。設(shè)定工作電壓為65℃時(shí)中心波長漂移到1563.32nm。通過溫度控制不僅提高了TOF的穩(wěn)定性同時(shí)也提高了成品率。

波長（nm）
圖5-a波長-溫度變化     圖5-b起始波長的溫度控制

3.2 TDC色散補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

ADN8831作為TEC控制器，也可以用來單向控制發(fā)熱源。其方法就是去掉圖4H橋任意對(duì)角線上的一對(duì)MOSFET，從而控制電流的單向性來加熱目標(biāo)物體。

減小可控的溫度范圍，可縮短溫度的穩(wěn)定時(shí)間。圖6說明在不同溫度點(diǎn)，色散曲線隨溫度的變化。當(dāng)溫度每升高0.058℃時(shí)，色散曲線整體向長波漂移，對(duì)于ITU-T特定波長1550.52，在80.314℃時(shí)色散值為正，這時(shí)可以降低工作溫度使曲線向短波漂移，使得該波長點(diǎn)的色散值為負(fù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的色散補(bǔ)償。

波長（nm）
圖6 不同溫度點(diǎn)的色散曲線

結(jié)束語

為了提高系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定的溫度控制始終是光器件設(shè)計(jì)工作必須解決的問題。ADN8831作為TEC控制器其寬的可控溫度范圍、高的控制精度大大提高了器件的可靠性。同時(shí)ADN8831控制電路如何小型化是今后有待研究的問題。

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