为了实现对激光二极管温度的精准控制，需要构建一个由热敏电阻、热电冷却器（TEC）和TEC控制器组成的闭环控制系统。热敏电阻的阻值会随着温度的变化而呈比例改变（根据热敏电阻类型的不同，可能是反比或正比关系），将其配置为分压器后，就可以把温度信号转换为电压信号。TEC控制器会将这个反馈电压与代表目标温度的基准电压进行比较，然后通过控制流经TEC的电流，来调整TEC传输的热量，从而实现对温度的精确控制。

（图1.激光模块的温度控制系统）

上述温度控制系统的一般框图如图1所示。激光二极管、TEC和热敏电阻都位于激光模块内部。TEC控制器（如ADN8833或ADN8834）会读取热敏电阻的反馈电压，并向TEC提供驱动电压。同时，可以使用微控制器对热环路进行监测和控制，当然，热环路也可以在模拟电路中构建。ADN8834内置了两个零漂移斩波放大器，可将其用作PID补偿器。

接下来，我们将详细介绍电信系统中激光二极管热控制系统的各个组成部分，并阐述主要器件的关键规格，为设计人员构建高性能的温度控制系统提供全面的指导。

TEC：热电冷却技术

热电冷却器由两片表面陶瓷板组成，中间交替放置着P型和N型半导体阵列，如图2所示。

（图2.带散热器的TEC模块）

当有电流流经这些半导体时，会产生珀尔帖效应，即热量会在一端被吸收，并在另一端释放。如果改变电流的方向，热传输的方向也会随之改变。在N型半导体中，载流子是电子，因此载流子和热量会从阳极流向阴极；而在P型半导体中，载流子是空穴，热量会沿相反方向流动。

取一对P-N半导体对，用金属板将它们连接起来，如图3所示。当电流流过时，热量就会沿一个方向传输。

（图3.珀尔帖效应：P-N半导体对的热流）

通过改变直流电压的极性，可以改变热传输的方向，并且传输的热量与电压幅度成比例。由于热电冷却技术具有简单、鲁棒的特点，因此被广泛应用于电信系统的热调理中。

如何选择TEC模块

在选择TEC模块时，需要综合考虑系统中的多个因素，如环境温度、对象目标温度、热负荷、电源电压以及模块的物理特性等。其中，热负荷的评估尤为重要，必须确保所选的TEC模块有足够的容量，能够将系统中的热量泵出，从而维持目标温度。

TEC模块制造商通常会在数据手册中提供两条性能曲线。一条曲线展示了在电源电压范围内，不同温差（ΔT）下的热传输容量；另一条曲线则显示了在不同的电源电压和ΔT组合下，所需的冷却/加热电流。设计人员可以根据这些曲线来估计模块的功率容量，判断其是否能够满足特定应用的需求。

TEC控制器操作和系统设计

为了利用TEC对温度进行补偿，TEC控制器需要具备根据反馈误差产生可逆差分电压的能力，并提供适当的电压和电流限值。图4为ADN8834的简化系统框图，其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/电流检测和限值电路以及差分电压驱动器。

（图4.单芯片TEC控制器ADN8834功能框图）

差分电压驱动器是TEC控制器的重要组成部分，它输出的差分电压可以控制通过TEC的电流，从而实现对连接到TEC的对象进行冷却或加热。电压驱动器有线性模式、开关模式或混合电桥等不同类型。线性模式驱动器结构简单、体积小，但效率较低；开关模式驱动器效率较高，可达90%以上，但输出端需要额外的滤波电感和电容。ADN8833和ADN8834采用了混合配置，结合了线性驱动器和开关模式驱动器的优点，在减少体积较大滤波元件数量的同时，还能保持较高的效率。

电压驱动器的设计对控制器至关重要，因为它占据了大部分的功耗和电路板空间。优化的驱动器级可以最大程度地降低功率损耗、减小电路尺寸、减少散热器需求并降低成本。

如何利用NTC热敏电阻检测温度

负温度系数（NTC）热敏电阻的阻抗会随着温度的变化而变化，图5展示了NTC热敏电阻在不同温度范围内的阻抗特性。由于这种相关性，我们可以将NTC热敏电阻连接为分压器，从而将温度信号转换为电压信号。

（图5.NTC阻抗与温度的关系曲线）

典型的连接方式如图6所示，当热敏电阻的阻值（RTH）随温度变化时，反馈电压（VFB）也会相应改变。

（图6.NTC热敏电阻连接为分压器以将温度转换为电压）

为了使温度电压传递函数线性化，可以在热敏电阻上串联一个电阻Rx，如图7所示。同时，必须将热敏电阻与模块壳内部的激光器紧密耦合，以隔绝外部温度波动的影响，确保能够精确检测到激光器的温度。

（图7.VFB与温度的关系）

误差放大器和比较器

模拟热反馈环路通常由两级放大器构成，如图8所示。第一个放大器接收热反馈电压（VFB），并将其转换或调节为线性电压输出，这个电压代表了对象的温度。然后，该电压会被馈入补偿放大器中，与温度设定电压进行比较，从而产生一个与二者差值成比例的误差电压。第二个放大器通常用于构建PID补偿器，它包含一个极低频率极点、两个不同的较高频率零点和两个高频极点。

（图8.使用ADN8834内部两个斩波放大器的热反馈环路图）

PID补偿器的参数可以通过数学方法或经验方法来确定。使用数学方法模拟热环路需要获取TEC、激光二极管、连接器和散热器的精确热时间常数，这在实际中往往比较困难。因此，利用经验方法调谐补偿器更为常见。设计人员可以通过假定温度设定端具有某个阶跃函数，并改变目标温度，来调整补偿网络，使TEC温度的建立时间最短。

需要注意的是，激进的补偿器能够对热扰动快速作出反应，但容易变得不稳定；而保守的补偿器建立时间较长，但能更好地耐受热扰动，发生过冲的可能性更小。因此，在系统设计中，需要在稳定性和响应时间之间找到一个平衡点。

TEC控制器系统的关键性能

稳态误差因素

TEC热功率预算：在设计系统时，TEC和电源电压通常是首先需要确定的参数。然而，由于热负荷难以准确估计，可能会导致选择不当。如果在将最大功率应用于TEC后，仍然无法达到目标温度，可能意味着热功率预算不足以处理热负荷。此时，可以通过提高电源电压或选择具有更高功率额定值的TEC来解决问题。

基准电压源一致性：基准电压源会随着温度和时间的变化而发生漂移。在闭合热环路中，这通常不会造成太大问题。但在数字控制系统中，TEC控制器和微控制器的基准电压源可能会有不同的漂移，从而产生补偿器无法察觉的误差。为了避免这种情况，建议这两个电路采用相同的基准源，用具有较高驱动能力的电压覆盖另一电压。

温度检测：精确检测负载温度对于减小温度误差至关重要。任何来自反馈的误差都会进入系统，而补偿器无法纠正这种误差。因此，应使用高精度热敏电阻和自稳零放大器来避免误差。同时，热敏电阻的布置也非常关键，要确保将其安装到激光器上，以便能够准确读取我们要控制的实际温度。

效率

TEC控制器的大部分功耗是由驱动器级消耗的。在ADN8833/ADN8834中，线性驱动器的功耗可以根据输入至输出压降和负载电流直接计算得出。开关模式驱动器的损耗较为复杂，大致可以分为传导损耗、开关损耗和转换损耗三部分。传导损耗与FET的RDSON和滤波电感的直流电阻成比例，选择低电阻元件可以降低传导损耗。开关损耗和转换损耗高度依赖于开关频率，频率越高，损耗越高，但无源元件的尺寸可以减小。因此，在设计时需要仔细权衡效率与空间的关系，以实现最优设计。

噪声和纹波

ADN8833/ADN8834中的开关模式驱动器以2MHz频率切换，快速PWM开关时钟沿包含很宽的频谱，会在TEC端产生电压纹波，并在整个系统中产生噪声。为了降低噪声和纹波，可以增加适当的去耦和纹波抑制电容。

对于开关模式电源常用的降压拓扑，电源电压轨上的纹波主要由PWMFET斩波的断续电流引起。可以通过并联使用多个SMT陶瓷电容来降低ESR（等效串联电阻），并在局部给电源电压去耦。在开关模式驱动器输出节点，电压纹波由滤波电感的电流纹波引起。为了抑制此纹波，应在驱动器输出端到地之间并联使用多个SMT陶瓷电容。纹波电压主要由电容ESR与电感纹波电流的乘积决定：ΔV_TEC=ESR×ΔI_L，并联使用多个电容可以有效降低等效ESR。

结论

设计电信系统中激光二极管的TEC控制器系统是一项复杂的工作，除了要应对热精度方面的挑战外，还需要考虑封装尺寸小、功耗容差低等因素。一般来说，一个设计精良的TEC控制器应具备精准温度调节、高效率、板尺寸小、低噪声以及电流和电压监控与保护等优点。通过深入了解系统的各个组成部分和关键性能指标，设计人员可以构建出满足需求的高性能温度控制系统。