智能照明控制系统，如何精准控制系统温度详细解说

很多朋友对智能照明控制系统，如何精准控制系统温度详细解说不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

在光纤通信系统中，激光二极管用作发射激光器来发送信号，并用作掺铒光纤放大器(EDFA)和半导体光放大器(SOA)的泵浦激光器。在这些应用中，激光器的特性(包括波长、平均光功率、效率和消光比)必须保持稳定，以确保电信系统的整体性能。但是，这些特性取决于激光器的温度：只要温度漂移，波长就会改变，转换效率就会降低。

所需的温度稳定性介于0.001C和0.5C之间，具体取决于具体应用。

为了控制温度，需要一个由热敏电阻、热电冷却器(TEC)和TEC控制器组成的回路。热敏电阻的电阻与温度成正比(反比或正比，取决于热敏电阻的类型)。当它配置为分压器时，可以用来将温度转换为电压。TEC控制器将反馈电压与代表目标温度的参考电压进行比较，然后控制流过TEC的电流，从而调节由TEC传递的热量。图一。激光模块的温度控制系统

上述系统的总体框图如图1所示。激光二极管、TEC和热敏电阻位于激光模块内部。TEC控制器ADN8833或ADN8834读取热敏电阻的反馈电压，并向TEC提供驱动电压。用单片机监控热回路。请注意，热环路也可以内置在模拟电路中。ADN8834有两个零漂移斩波放大器，可以用作PID补偿器。

本文将阐述电信系统中激光二极管热控系统的组成，并介绍主要器件的关键技术指标。本文的目的是从系统的角度阐述各种设计考虑，并为设计人员提供总体指导，以构建具有良好温度控制精度、低损耗和小尺寸的高性能系统。TEC:热电冷却技术热电冷却器包括两个表面陶瓷板，P型和N型半导体阵列交替放置在它们之间，如图2所示。图二。带散热器的TEC模块

当电流流过这些导体时，热量会在一端被吸收，在另一端被释放；当电流方向相反时，传热也会反向。这个过程被称为珀尔帖效应。N型半导体中的载流子是电子，所以它们的载流子和热量从阳极流向阴极。对面的N型半导体有空穴载流子，热量也反方向流动。取一对P-N半导体对，用金属板连接，如图3所示。当电流流动时，热量会向一个方向传递。

图3。珀耳帖效应：P-N半导体对的热流改变了DC电压的极性，可以改变热量传递的方向，传递的热量与电压幅度成正比。由于热电冷却简单而稳定，因此广泛用于电信系统的热调节。如何选择TEC模块

在选择TEC模块时，需要考虑系统中的许多因素，如环境温度、目标温度、热负荷、电源电压和模块的物理特性。必须仔细评估热负荷，以确保所选的TEC模块有足够的能力将热量从系统中排出，以保持目标温度。

TEC模块制造商通常在数据手册中提供两条性能曲线。一条曲线显示了电源电压范围内不同温差(T)下的传热能力，另一条曲线显示了电源电压和T的不同组合所需的冷却/加热电流，设计人员可以估算模块的功率能力，确定其是否能够满足特定应用的需要。TEC控制器操作和系统设计

为了使用TEC进行温度补偿，TEC控制器应该能够根据反馈误差产生可逆的差分电压，并提供适当的电压和电流限制。图4是ADN8834的简化系统框图。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/电流检测和限制电路以及差分电压驱动器。图4。单芯片TEC控制器ADN8834差分电压驱动器功能框图

TEC控制器输出一个差分电压，使得通过TEC的电流可以带走连接到TEC的物体的热量，或者平滑地改变到相反的极性来加热物体。电压驱动器可以是线性模式、开关模式或混合桥。线性模式驱动器更简单、更小，但效率较低。开关模式驱动器具有33，354的良好效率，高达90%以上，但输出需要额外的滤波电感和电容。

ADN8833和ADN8834采用混合配置，包括线性驱动器和开关模式驱动器，大体积的滤波器元件数量减半，同时保持高效率。

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。优化的驱动器级有助于最大限度地降低功耗、电路尺寸、散热器要求和成本。如何使用NTC热敏电阻检测温度图5显示了负温度系数(NTC)热敏电阻在温度范围内的阻抗。因为和温度有关，所以可以接成分压器，把温度转换成电压。图5。NTC阻抗与温度的关系曲线

典型连接如图6所示。当RTH随温度变化时，VFB也会变化。图6。NTC热敏电阻作为分压器连接，将温度转换为电压。增加一个与热敏电阻串联的Rx可以线性化相对于VREF的温度-电压传递函数，如图7所示。它必须与模块外壳内部的激光器紧密耦合，以隔离外部温度波动的影响，这样它才能准确地检测温度。图7。VFB与温度误差放大器和比较器

模拟热反馈环路包括两级，由两个放大器构成，如图8所示。第一个放大器接受热反馈电压（VFB），将该输入转换或调节为线性电压输出。此电压代表对象温度，馈入补偿放大器中，与温度设定电压进行比较，产生一个与二者之差成比例的误差电压。第二个放大器通常用来构建一个PID补偿器，后者包括一个极低频率极点、两个不同的较高频率零点和两个高频极点，如图8所示。

图8. 使用ADN8834内部两个

斩波放大器的热反馈环路图

PID补偿器可通过数学方法或经验方法确定。要从数学上模拟热环路，需要TEC、激光二极管、连接器和散热器的精确热时间常数，这不太容易获得。利用经验方法调谐补偿器更为常见。通过假定温度设定端具有某个阶跃函数并改变目标温度，设计人员可以调整补偿网络，使TEC温度的建立时间最短。

激进补偿器会对热扰动快速作出反应，但也很容易变得不稳定，而保守补偿器建立得较慢，但能耐受热扰动，发生过冲的可能性更小。系统稳定性和响应时间之间必须达到平衡。

TEC控制器系统的关键性能

有时候，即便PID补偿器设计得当，稳态误差仍会存在。下面是引起该误差的几个因素。

TEC热功率预算：设计该系统时，TEC和电源电压是最先选定的事情。然而，由于热负荷不容易估计，选择可能不正确。某些情况下，若将最大功率应用于TEC但仍不能达到目标温度，可能意味着热功率预算不足以处理热负荷。提高电源电压或挑选具有更高功率额定值的TEC可解决这个问题。

基准电压源一致性：基准电压源会随温度和时间而漂移，对于闭合热环路，这通常不是问题。但是，尤其是在数字控制系统中，TEC控制器和微控制器的基准电压源可能有不同的漂移，引起补偿器不会察觉的误差。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：为使温度误差最小，精确检测负载温度非常重要。任何来自反馈的误差都会进入系统，补偿器同样不能纠正这种误差。使用高精度热敏电阻和自稳零放大器可避免误差。热敏电阻的布置也很重要。确保将它安装到激光器上，以便能够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根据输入至输出压降和负载电流直接得出。开关模式驱动器的损耗较为复杂，大致可分解为三部分：传导损耗、开关损耗和转换损耗。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，但无源元件尺寸可减小。为实现最优设计，必须仔细权衡效率与空间。

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，并且在整个系统中产生噪声。增加适当的去耦和纹波抑制电容可降低噪声和纹波。

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PWM FET斩波的断续电流所引起。并联使用多个SMT陶瓷电容可降低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：V_TEC=ESR I_L并联使用多个电容可有效降低等效ESR。

结论

设计电信系统中激光二极管的TEC控制器系统是一项很复杂的工作。除了热精度方面的挑战之外，封装尺寸通常非常小，功耗容差也很低。一般而言，设计精良的TEC控制器应具备如下优点：

精准温度调节

高效率

板尺寸很小

低噪声

电流和电压监控与保护lyn

以上知识分享希望能够帮助到大家！