对增加带宽的持续需求导致了基于光纤的网络的部署。光纤线路由固态激光器驱动，具有非常高的信息密度。高度封装的数据方案，如DWDM(密集波分复用)利用多个激光器驱动光纤来获得大的多通道数据流。窄通道间距依赖于激光波长控制在0.1nm(纳米)以内。激光可以做到这一点，但温度变化会影响操作。图1绘制了典型激光波长与温度的关系。0.1nm/°C的斜率意味着，虽然温度有利于调整激光波长，但一旦激光达到峰值，它就不能改变。通常，需要0.1°C的温度控制来保持激光在0.1nm范围内的良好运行。

温控器要求

温度控制器必须满足一些不寻常的要求。(1)最值得注意的是，由于环境温度的变化和激光操作的不确定性，控制器必须能够产生或去除热量以保持控制。基于peltier的热电冷却器(TEC)允许这一点，但控制器必须是真正的双向。它的热流控制不能在“热到冷”的过渡区有死区或不利的动力学。此外，温度控制器必须是一个精密装置，能够在0.1°C内随时间和温度变化保持良好的控制。

基于激光的系统封装紧凑，需要小的解决方案尺寸与高效的操作，以避免过度的散热。

最后，控制器必须从一个单一的低电压源和它的(大概开关模式)的操作不能破坏与噪声的供应。

温控器详细信息

图2是热电冷却器(TEC)温度控制器的原理图，包括三个基本部分。DAC和热敏电阻形成一个电桥，其输出被A1放大。LTC1923控制器是一个脉宽调制器，为功率输出级提供适当的调制和相控驱动。激光是一种精密而昂贵的负载。因此，控制器提供了各种监控，限制和过载保护功能。这些包括软启动和过流保护，TEC电压和电流检测以及“越界”温度检测。异常操作导致电路关闭，防止激光模块损坏。另外两个特性提高了系统级兼容性。锁相环振荡器允许在多激光系统中实现多个ltc1923的可靠时钟同步。最后，向TEC的开关模式供电是高效的，但需要特别考虑确保开关相关的噪声不会被引入(“反射”)到主机电源中。LTC1923包括沿摆限制，通过减慢功率级的转换时间，最大限度地减少开关相关的谐波。这大大减少了高频谐波含量，防止过多的开关相关噪声损坏电源或激光。(2)开关模式功率输出阶段，一个“h桥”型，允许有效的双向驱动到TEC，允许加热或冷却激光。热敏电阻、TEC和激光器，在制造时封装在激光模块内，是紧密热耦合的。

DAC允许调节温度设定值到任何单个激光器的最佳工作点，通常为每个激光器指定。控制器增益和带宽调整优化热环路响应最佳温度稳定性。

热回路注意事项

高性能温度控制的关键是将控制器的增益带宽与热反馈路径相匹配。从理论上讲，使用传统的伺服反馈技术来做到这一点是一件简单的事情。实际上，热系统固有的长时间常数和不确定延迟是一个挑战。伺服系统和振荡器之间的不幸关系在热控制系统中非常明显。

热控制回路可以非常简单地建模为电阻器和电容器的网络。电阻器相当于热阻，电容器相当于热容。在图3中，TEC、TEC-传感器接口和传感器都有RC因素，这些因素会导致系统响应能力的集中延迟。为了防止振荡，必须限制增益带宽以考虑这种延迟。由于高增益带宽对于良好的控制是理想的，因此延迟应该最小化。这大概是由激光模块的供应商在制造时解决的。

该模型还包括受控环境和非受控环境之间的绝缘。绝缘的作用是降低损耗率，使温控装置能跟上损耗。对于任意给定的系统，TECsensor时间常数与绝缘时间常数之比越高，控制回路的性能越好。

温控回路优化

温度控制回路的优化从激光模块的热特性开始。前一节强调了tec传感器与绝缘时间常数之比的重要性。该信息的确定为可实现的控制器增益带宽设置了现实界限。图4显示了典型的激光模块在环境温度发生40°C阶跃变化时的结果。激光模块的内部温度由其热敏电阻监测，在TEC未通电的情况下随时间绘制。以分钟为单位测量的环境对传感器的滞后显示了经典的一阶响应。

tec传感器集总延迟的特征是操作图2电路中的激光模块，增益设置为最大值，没有安装补偿电容器。在LTC1923误差放大器输出处测量的图5显示了由于热滞后主导回路而产生的大信号振荡。(4)频率，主要由tec传感器延迟决定，暗示了环路带宽可实现的限制。该频率与激光模块的热时间常数的高比值(图5)意味着简单的主导极环补偿将是有效的。饱和限制波形表明，过度的增益正在驱动环路进入完全的冷却和加热状态。最后，不对称占空比反映了TEC在冷却和加热模式下的不同热效率。

控制器增益带宽从图5的极端减少产生了图6的显示。该波形是由温度设定值小步(≈0.1°C)变化引起的。增益带宽仍然过高，产生阻尼，振铃响应超过2分钟的持续时间。这个循环只是略微稳定。图7的测试条件是相同的，但是增益带宽明显减少了。响应仍然不是最优的，但沉降发生在≈4.5秒内，比之前的情况快了约25倍。图8的响应，在进一步降低增益带宽设置下，几乎是临界阻尼，并在大约2秒内稳定下来。以这种方式优化的激光模块将很容易地衰减外部温度变化的数千倍，而不会超调或过度滞后。此外，尽管各种激光模块之间存在很大的热差异，但增益带宽值的一些通用准则是可能的。(5)1000的直流增益足以满足所需的温度控制，带宽低于1Hz提供足够的环路稳定性。图2建议的增益和带宽值反映了这些结论，尽管必须对任何特定情况进行稳定性测试。

温度稳定性验证

一旦环路被优化，温度稳定性就可以被测量。通过使用稳定的校准差分放大器监测热敏电阻桥偏置来验证稳定性。(6)图9记录了在冷却模式下50秒内±1毫度的基线稳定性。更严格的测试测量在环境温度显著变化下的长期稳定性。图10的条形图记录了在9小时内每小时高于环境温度20°C的环境下冷却模式的稳定性。(7)数据显示0.008°C的结果变化，表明热增益为2500。(8)0.0025°C的基线倾斜在9小时的图长中源于环境温度的变化。图11使用相同的测试条件，除了控制器在加热模式下工作。TEC更高的加热模式效率提供了更大的热增益，从而使稳定性提高了4倍，达到约0.002°C的变化。基线倾斜(仅可检测到)显示了与图10相比类似的4倍改进。

这种水平的性能确保了所需的稳定的激光特性。长期(年)温度稳定性主要取决于热敏电阻的老化特性。

反射噪声性能

切换模式的电力输送到TEC提供了高效的操作，但引起了噪声注入到主机系统通过电源的担忧。特别是开关边的高频谐波含量会破坏电源，引起系统级问题。这种“反射”的噪音可能很难处理。LTC1923通过控制开关边的摆幅来避免这些问题，最大限度地减少高频谐波含量。(10)这种开关瞬态的减慢通常只会使效率降低1%至2%，这是对噪声性能极大改善的一个小损失。图12显示了在使用压转控制时适当旁路5V电源的噪声和纹波。低频纹波的幅值为1mV，通常不需要考虑，而高频过渡相关分量的幅值只有500µV左右。限制回转的有效性可以通过使其失效来衡量。如图13所示，高频含量增加4.4倍，达到约2.2mV。

结论

LTC1923提供了一个完整的激光温度控制器解决方案所需的性能和功能。“冷热”控制能力确保了所需的温度稳定性，保护和监测能力保护了昂贵的激光器。

注:

1. 本文摘自线性技术应用笔记89，“用于光纤激光器的热电冷却器温度控制器”。

2. 这项技术源于早期的努力。见线性技术应用说明70。

3.为了文本流畅，这个有点学术性的讨论必须简洁。然而，额外的热力学杂音出现在LTC应用说明89中。

4. 当一个电路因为“振荡”而“不工作”时，无论是在毫赫兹还是千兆赫兹，四个紧迫的问题应该立即主导未决的调查。它以什么频率振荡，振幅，占空比和波形是什么?解决方案总是存在于这些问题的答案中。只要沉思地盯着波形，真理就会绽放。

5. 参见附录A中的应用说明89，“基于热电冷却器控制回路的实际考虑”，以获得额外的评论。

6. 该测量监测热敏电阻的稳定性。由于轻微的热去耦和激光功耗的变化，激光温度稳定性会有所不同。参见应用说明89的附录A。

7. 没错，一个条形图记录。顽固的、以当地为基础的异类坚持使用这些古老的设备，放弃了更现代的替代品。技术优势可以解释这种选择，尽管根深蒂固的文化偏见可能是一个因素。

8. 热增益是温度控制爱好者的行话，指的是环境温度与受控温度变化的比值。

9. 有关更多信息，请参阅应用说明89的附录A。

10. 这项技术源于以前的工作。参见参考文献2。

参考电路

1. Williams, J.《光纤激光器的热电冷却器温度控制器》。线性技术应用报告89,2001年4月。

2. Williams, J.，“具有100µV输出噪声的单片开关稳压器”，Linear Technology Corporation, Application Note 70, 1997年10月。