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。相比其它的制冷技術TEC有如下優點：結構簡單、體積小、啟動快、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設計中得到了充分的應用，特別是在器件工作溫度范圍比較寬的情況下它的優勢更加明顯。

熱電制冷器是由一系列P型N型半導體構成的電偶對串聯而成，由于帕爾帖效應，在電偶對形成的閉合回路中通以直流電流時，在其兩端的節點處將分別產生吸熱和放熱現象。如圖1所示，每個電偶的熱效應是互相獨立的，因此在熱量的方向上它們是并行的，這樣TEC的熱轉移效率得到了很大的提高。TEC有兩個端面，當在TEC兩端加電壓的時候，電流就沿著某一方向流過TEC，此時TEC的一端（熱端）被加熱，另一端（冷端）被制冷，當電流反向時，TEC熱量轉移的方向將會發生變化，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物體。通過TEC的電流越大，TEC兩端的熱量轉移越多，當電流達到某一值時，冷端放出的熱量等于熱端吸收的熱量，此時冷端的溫度停止變化，目標物體的溫度達到穩定。

圖1 TEC結構圖

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物體的溫度，為了提高溫度的準確性和穩定性，熱敏電阻應盡可能地靠近目標物體。本系統采用的是負溫度系數的熱敏電阻，阻值隨著溫度的升高而變小。溫度—電壓的轉換電路，如圖3所示，感應的目標溫度與輸出電壓成正比關系。

  （1）

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

圖3 溫度電壓轉換電話和硬件PID控制電路

第二部分是差分放大。即將目標溫度對應下的電壓和設定溫度點的電壓進行比較之后比例放大。

第三部分是補償網絡。該補償網絡采用硬件PID（比例—積分—微分）控制，由運放、電阻、電容組成，它的優點是可靠性高。比例調節的作用是按比例反應系統的偏差，一旦系統有偏差，比例調節立即產生作用以減小系統偏差。比例作用大可加快系統調節，但過大的比例系數會到導致系統的不穩定。積分調節的作用是使系統消除穩態誤差，提高系統的準確度，但同時也會導致系統的響應變慢。微分調節的作用是反應系統偏差信號的變化率，能預見偏差信號的變化趨勢，因此能產生超前的控制作用，改變系統的動態性能。在實際調節過程中應注意折中超調和快速響應的問題，當超調較嚴重時，應適當減小比例系數、增加積分時間、減小微分時間，響應速度慢時，調節方法與上面相反。

ADN8831作為H橋的驅動器工作在線性、開關兩種模式下，線性模式下效率雖然很低但減小了外圍器件的體積，開關模式則恰好相反，因此這種設計達到互補的效果。

第五部分是由四個功率MOSFET組成的H橋驅動電路。H橋是分別由兩個P型、N型功率MOSFET對和TEC組成的。四個MOSFET組成H的4條垂直腿，而TEC組成H的橫杠，TEC相當于一個阻值很小的電阻，如圖4所示。當ADN8831驅動Q1、Q3導通時，電流沿 的方向流過TEC，TEC的冷端變成熱端放出熱量對目標物體加熱，Q2、Q4導通時，電流沿 的方向流過TEC，此時目標物體被制冷。切斷任意對角線上的兩個MOSFET的開關信號使電流沿單方向流過TEC，此時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橋結構

第六部分是LC濾波電路。為了提高TEC溫度的穩定性，流過TEC的紋波電流應盡可能的小，在H橋之后必須加LC濾波電路濾除PWM的開關頻率以達到穩定TEC電壓的目的。高的開關頻率雖然減小了電感、電容的體積，但同時也會帶來EMI的影響，因此在系統設計時應綜合考慮這些因素。

2 ADN8831的應用

基于MEMS（微機電系統）的F-P（法布里-珀羅）腔可調諧光濾波器（TOF），由于構成其腔長度的支撐材料具有一定的熱膨脹系數，因此當環境溫度變化時，腔長會隨著溫度的變化而發生變化，這樣TOF的中心波長就會發生漂移，最終會影響信號波的鎖定。另外，利用溫度對中心波長的影響，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）標準具的多波長可調諧色散補償器（TDC），利用G-T標準具，使光信號中不同的光譜分量所傳輸的光程差不同，產生周期性的色散補償效果。影響光程差的因素有標準具諧振腔的折射率、腔長、入射角，當改變G-T腔的溫度時，折射率和腔長的變化會造成光程差的改變，使得色散曲線發生平移，從而實現色散的調節。此時利用材料的溫度特性，只要溫度控制精度高、響應時間快就可以設計出可動態補償的TDC。

3 實驗結果及分析

3.1 TOF的穩定性與波長控制實驗

調節ADN8831的參數，設定可控制的溫度范圍，由公式（1）當設定溫度控制在50℃-95℃時，計算R1，R2，R3的值。當溫度穩定時，目標物體溫度電壓和設定溫度電壓是相等的，所以由公式（1）計算出各溫度點對應的電壓值，進而通過DAC設定TOF的工作溫度。

由于TOF芯片的溫度敏感性，當環境溫度從-5℃變化到65℃時，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℃，在同樣環境溫度變化情況下，中心波長僅漂移0.5nm，中心波長穩定性得到很大提高。溫度對起始波長的控制如圖5-b所示，常溫下電壓單獨作用時，中心波長只能到達1557.94nm，這樣就不能滿足C波段的信號濾波，此時必須提高TOF的工作溫度使中心波長向長波漂移。設定工作電壓為65℃時中心波長漂移到1563.32nm。通過溫度控制不僅提高了TOF的穩定性同時也提高了成品率。

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色散補償實驗

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

減小可控的溫度范圍，可縮短溫度的穩定時間。圖6說明在不同溫度點，色散曲線隨溫度的變化。當溫度每升高0.058℃時，色散曲線整體向長波漂移，對于ITU-T特定波長1550.52，在80.314℃時色散值為正，這時可以降低工作溫度使曲線向短波漂移，使得該波長點的色散值為負，進而實現動態的色散補償。

波長（nm）
圖6 不同溫度點的色散曲線

結束語

為了提高系統的可靠性，穩定的溫度控制始終是光器件設計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ADN8831控制電路如何小型化是今后有待研究的問題。

參考文獻

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