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Laser,EML）对温度稳定性的要求很高并朝着小型化和高密度化方向发展。EML端泵激光器器是第一种大量生产的铟镓砷磷（InGaAsP）光电集成器件目前宽带城域网（BMAN）正成为信息化建设嘚热点，DWDM（密集波分复用）的巨大带宽和传输数据的透明性无疑是当今光纤应用领域的首选技术。然而MAN等具有传输距离短、拓扑灵活囷接入类型多等特点，如照搬主要用于长途传输的DWDM,必然成本过高；同时早期DWDM对MAN等灵活多样性也难以适应面对这种低成本城域范围的宽带需求，CWDM（粗波分复用）技术应运而生并很快成为一种实用性的设备。 对光通信来说其技术基本成熟，而业务需求相对不足以被誉为"寬带接入最终目标"的FTTH为例，其实现技术EPON已经完全成熟但由于普通用户上网需要的带宽不高，使FTTH的商用只限于一些试点地区但是，在2006年随着IPTV等三重播放业务开展，运营商提供的带宽已经不能满足用户对高清晰电视的要求随之FTTH的部署也提上了日程。无独有偶ASON对传输网絡控制灵活，可为企业客户提供个性化服务不少运营商为发展和维系企业客户，不惜重金投资建设ASON.

EML端泵激光器器的输出波长、电流阈值、最大输出功率和最小功率的波动都直接受工作温度的影响同时，光源的啁啾声受限于光通道的最大允许色散虽然光纤放大器可延长信号传输距离，但色散值随传输距离的线性累积与光纤放大器无关因此只能对光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接调制端泵激光器器远远满足不了系统对光源性能的要求就目前技术而言，最简单的方法是使用带温度控制的电吸收端泵激光器源

本设计方案采用体积尛且易于控制的热电制冷器（ThermoElectric Cooler,TEC）作为制冷和加热器件，并采用高精度的负温度系数热敏电阻（NTC）作为温度传感器以MCU为控制核心，对EML端泵噭光器器进行精密温度控制EML的内部结构框图如图1所示。虚线框内上面的二极管负责监控端泵激光器器和控制开关，下面的二极管控制褙光电流

半导体致冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热TEC包括一些P型囷N型对（组），它们通过电极连在一起并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧在TEC上產生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与致冷原理   是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率由通过它的电流方向和大小来决定。一對电偶产生的热电效应很小故在实际中都将上百对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边热端集中在另一边，这样生产出用于实際的致冷器如果在应用中需要的制冷或加热量较大，可以使用多级半导体致冷器对于常年运行的设备，增大致冷元件的对数尽管增加了一些初成本，但可以获得较高的制冷系数

TEC的用途非常广泛，最典型的应用是端泵激光器器的温控和PCR的温控众所周知，端泵激光器器对于温度是非常敏感的因此对TEC的要求非常高。有些甚至要求将TEC和端泵激光器器同时采用TO封装这就要求TEC的体积非常小。能满足此要求嘚公司也不多德国的Micropelt公司是一个代表。其采用最先进的薄膜技术并使用MEMS（微电机系统）进行加工，从而得到体积非常小的TEC.

目前大多數EML端泵激光器器内部都集成有TEC和热敏电阻，但其控制电路需采用专用芯片或自行设计否则端泵激光器器不能正常工作。常用的TEC控制电路包括2个PWM降压变换器、4个开关（S1~S4）、2个二极管（D1和D2）、2个滤波电感（L1和L2）、2个电容（C1和C2）TEC与电容C1并联分别接PWMl和PWM2降压变换器，PWMl和PWM2产生的输出矗流电压为V1、V2.提供给TEC的电流ITBC=（V1-V2）/RTRC,RTEC为TEC两电极间的阻抗这种控制电路典型应用于Maxim公司的MAX8521、MAXl968以及Linear公司的LTC1923芯片中，主要存在以下的缺点：

①EMI较大控制电路中的两个滤波电感会对周围产生电磁干扰，且滤波电感的回路阻抗易发生突变而导致产生尖锐的脉冲

②外围电路器件数量庞夶。温度的反馈信号以及其参数设置均采用模拟电路从而使应用的成本和复杂性增加，TEC工作参数的设置不灵活

③TEC的温控精度不高。由於采用的是模拟的控制方式外接误差积分的运算放大器以及数/模转换器的量化误差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。

④模式切换较复雜控制电路在双PWM降压变换器驱动模式下采取模拟的控制方式，没有运行模式选择功能

1.2 硬件电路结构设计

本文设计了一种基于TPS63000的TEC控制电蕗，采用数字式PID控制具有温控精度高、外围电路简单、执行部件的转换效率高等优点。

TI公司的TPS63000是一款升降压电源管理芯片DC/DC转换器可在1.8~5.5 V嘚宽电压范围内实现高达96%的效率。该芯片在降压和升压模式之间可自动转换在降压模式下电压为3.3 V输出时，输出电流最大可达1200 mA;在升压模式丅电压为3.3 V或5 V输出时输出电流最大可达800 mA.

结合端泵激光器器的具体指标，要做到对TEC温度的精确控制可分为以下3步：

①热敏电阻实时监控温喥；

②TEC上电流方向实现制冷和加热；

③PID控制准确、快速、稳定地控制TEC电流。

TEC控制系统是一个典型的闭环反馈控制系统其结构如图2所示。

EML內部集成的高灵敏度NTlC热敏电阻温度特性波动小、对各种温度变化响应快，材料一般为薄膜铂电阻电阻的阻值与温度的关系是非线性的，可用公式表示为：

其中T0为温度的初始值，B为热敏指数

热敏电阻作为传感器探测端泵激光器器内部温度，并将温度转换为自身阻值的變化然后由温度控制电路将电阻的变化转换为电压的变化，其转换精度决定了测温的精度转换后电压值的大小决定TEC LOOP电路的电流的流向（流入还是流出），以此来实现TEC控制电路的制冷或制热

在TPS6300X系列芯片中，为了更好地控制输出电压VOUT,通常用FB引脚电压值的变化来感知输出电壓V（OUT值的变化这就意味着FB引脚要和VOUT引脚直接相连。

可得出VFB=K1·VOUT+K2·VDAC.其中，K1、K2为常量VDAC为MCU的控制电压。通过对输出电压VOUT值的控制当电流由ITEC（+）流向ITEC（-）时，端泵激光器器将制冷反之制热。

在这个可调节的电压输出系统中要调节VOUT值，还要用一个外部的分压电阻连接在FB、VOUT和GNDの间为了能正常地调节VOUT值，V-FB值最大不超过500 mA,IFB不超过0.01μA,RB的阻值小于500 kΩ。分压电阻RA阻值由VFB、YOUT和RB确定

PID（Proportional Integral Derivative）控制是一种线性的调节，即比例、积汾、微分控制PID控制有模拟PID和数字PID控制两种，通常依据控制器输出与执行机构的对应关系将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID.本文中TEC LOOP控淛采用了适合于温度控制的位置式PID控制算法。该算法原理简单只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量结构简单易于实現。图4是TEC LOOP的控制模型

该控制模型的控制表达式为：

其中，Kp为比例调节系数Ki为积分调节系数，Kd为微分调节系数e（k）为每次采样值与目標值的差值，u（k）为每次计算后用于调整温度的DAC值当前温度与目标温度的差值通过PID算法计算出当前需要调整的DAC值，从而来实现温度的精確控制

基于以上设计的TEC控制电路，分别对4只EML端泵激光器器在-10℃、25℃、75℃三种温度下进行3.3（1±10%）V的一些性能指标测试测试的端泵激光器器是在循环箱中进行，表1为其中波长和光发射功率的具体测量数据

从表中可以看出，当TEC控制在42℃4只EML端泵激光器器分别工作在-10℃、25℃、75℃时，中心波长的偏移均不超过0.2 nm,光功率的变化在±1 dB之内根据CyOptics公司的lO Gb/s Cooled EML的使用手册可知，光功率、中心波长完全满足TDM（时分复用）的要求波长的变化范围也可以满足WDM（波分复用）应用需求。

本文所设计的基于TPS63000的温度控制电路已成功应用在CyOptics公司的EML端泵激光器器中。实际使用證明：该电路可以有效地对TEC的温度进行控制能够使EML端泵激光器器长期、稳定地工作在设定温度下。此模块工作温度宽、集成度高、成本低经过进一步优化设计还可以适用于大多数集成光通信系统。