紧凑型DWDM激光温度控制MAX8521和单个运算放大器

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使用MAX8520/21和单个运放，可以为DWDM(密集波分复用)激光模块提供一个完整且非常紧凑的热控制解决方案。由于DWDM在单个光纤上使用多个激光器，因此需要仔细控制激光输出频率。这种设计可以很容易地提供25GHz信道间距所需的性能水平，使其成为设计人员从事DWDM光纤系统的理想基础。

使用MAX8520/21和单个运放，可以为DWDM(密集波分复用)激光模块提供一个完整且非常紧凑的热控制解决方案。由于DWDM在单个光纤上使用多个激光器，因此需要仔细控制激光输出频率。1548nm DWDM系统的25GHz信道间隔要求激光频率保持在25GHz频段的中心。激光模块必须通过改变其工作温度来调谐到中频，然后在所有时间和环境变化中保持不变。由于激光驱动器通常可以改变0.1nm/°C (25GHz/°C)，因此需要稳定性至少为±0.1°C的温度控制器。这使调制的激光光谱保持在波段的中心(±2.5GHz)，并将信道串扰限制到最小。供应商承诺在一根光纤上多达160个频道。

由于激光模块必须通过将其工作温度从15°C更改为35°C来设置为中频，并且环境温度可以在0°C到70°C之间变化，因此控制器必须能够加热和冷却。珀尔捷热电冷却器(tec)可以执行此功能，但冷却器的电源驱动器必须能够双向(加热和冷却)操作。此外，在从加热模式到冷却模式的过渡过程中，驱动器不得表现出死带或狩猎。MAX8520/21是一种双向电源驱动器，能够输入和下沉高达1.5安培。使用MAX8520/21与激光模块内的温度监视器(10k欧姆热敏电阻)和单个运算放大器，可以实现比例积分微分(PID)控制器作为热调节回路。电路模块如下图1所示。完整的原理图和零件列表可以在本应用说明的末尾找到。

图1所示。热控制回路框图。

在该电路中，JU4可以配置DAC(数字转换器)或电位器来设置参考温度电压。然后，运算放大器将温度参考电压与热敏电阻电压进行比较，并将差异放大并馈送到MAX8520/21。MAX8520/21输出电流以减少运放检测到的误差，完成环路。由于MAX8520/21在CTLI处需要±1.5伏信号才能产生±1.5安培，因此运算放大器必须从输入端的温度误差产生该信号。将温度限制设置为±0.1°C，并知道热敏电阻灵敏度为14mV/1°C，我们可以计算所需的运算放大器增益。

与
0.1℃* 14mV/1℃= 1.4mV
因为
1.4mV *增益= 1.5V
运放增益必须至少为1.1K。

通过选择50k欧姆作为运放反相引脚处的输入电阻，则10uF积分电容的阻抗必须至少为50毫欧。必须仔细选择元件和布局，以保证这种增益。对于大于1µF的电容器，Taiyo Yuden指定1G欧姆/µF。对于10µF，这等于100毫欧。典型的测量值要高得多，但如果没有适当的布局和组装技术，湿气或焊剂很容易使实现高阻抗电路性能的努力无效。在0°C的环境室中进行测试会导致水凝结并降低电路性能。PCB(印刷电路板)上的漏电流也会在这个阻抗水平上产生问题。因此，建议在运放的反相输入及其相关组件周围放置保护环。这个保护环的位置如图2所示。

图2。保护环的PCB布置图。

保护环的作用如下:由于DAC输出电压与运放的反相输入电压相似，因此保护环与求和结及其环内相关组件之间基本上没有电位差。环拦截外部表面泄漏电流，在那里它们被DAC的低阻抗分流。低阻抗环保护(或“守卫”)高增益求和节点免受漏电流的影响。护环轨迹越宽，效果越好。DAC输出电位处的接地层也应置于敏感电路元件的正下方。即使有保护环，水和其他表面污染仍然会降低电路性能。作为最后的措施，应在组装后的清洁和干燥的PCB及其组件上应用丙烯酸基保形涂层。如果有规定，PCB装配商可以将其应用于组装板。

在运算放大器产生错误信号后，MAX8520/21将CTLI输入端的错误电压转换为双极输出电流。MAX8520/21的电压控制输出电流有助于控制有害的浪涌电流，并提供可编程的电流限制。输出电流和电压限制可以与外部电阻独立编程。MAX8520/21具有四个功率mosfet，集成在一个小型20引脚QFN封装和超小型UCSP 封装中。废热通过芯片底部暴露的金属衬垫排出，然后焊接到PCB上的铜接地面上。MAX8520/21的高开关频率也有助于减小外部元件的尺寸。

由于TEC模块表现出较长的热时间常数，控制回路也必须缓慢以保持稳定。选择用于PID回路的元件以提供1Hz单位增益交叉。环路的直流增益决定稳态性能，而环路的交流增益带宽决定瞬态响应。实现最高的稳定增益带宽将产生最快的瞬态响应，我们知道，随着时间的推移，积分器将以指数方式减少环路误差。

虽然在无限增益的情况下，PID回路的稳态误差为零，但在瞬态情况下，例如系统预热，回路增益远小于无穷大。这显示在下面的图3中的热图中。图3显示了TEC系统对温度阶跃变化的响应。对于该测试，模块的内部激光温度设置为25°C (Vtherm = 0.75V)。外部温度在20分钟内由25℃变为45℃(1℃/分钟)，然后保持40分钟。最后以1°C/分钟的速度降至25°C。从图3中我们可以确定，这种瞬态变化的热误差为200µV Pk到Pk，或15m°C，或±7.5m°C。保持期结束时，稳态误差Pk ~ Pk均小于50µV，远小于瞬态误差。值得注意的是，本报告中的热数据表明，控制系统可以准确地调节热敏电阻的温度，这可能并不完全代表激光温度或产生的光波长。

图3。显示控制回路热性能的12小时条形图。

图4显示了系统对三种不同外部温度梯度(每分钟1度、0.7度和0.3度)的响应。在此测试中，模块的内部温度设置为35°C (Vtherm = 0.592V)。重要的是要注意，精确的温度测量必须给予长时间沉淀。事实上，如果有足够的时间来解决问题，图4中三个速率的中心将会出现。图5与图4相同，内部激光温度设置为15°C (Vtherm = 0.916V)。

图4。热回路性能为三种不同的温度变化速率和模块设置在35°C。

图5。热回路性能为三种不同的温度变化速率和模块设置在15°C。

在进行热测试时，重要的是要注意水在降低电路性能方面起着重要作用。在0°C及以下水结冰，对电路没有影响。然而，当温度升高时，冰融化，水会产生泄漏电流，从而降低热性能。如上所述，在电路上涂一层丙烯酸基保形涂层可以帮助改善这种情况。

图6显示了长期(8小时)稳定性图。该图显示，最大热误差为25µV或1.8m°C。这个测试是用电压表每10秒测量一次，所以测试带宽有些限制。该测试中显示的出色稳定性的一个关键原因是MAX4238斩波稳定运放。斩波稳定保持偏移和漂移到最小。此外，运算放大器的关断引脚与MAX8521的使能引脚并联配置。这样做是为了限制与PID的积分电容在轨道电位处启动相关的启动浪涌。由于MAX4238在关断模式下具有高输出阻抗，因此MAX8521的CTLI引脚将运放输出和积分电容(C16)充电至1.5伏，或通过TEC模块的零电流。这有助于限制启动浪涌，否则将迫使TEC模块采取全电流，直到积分电容器放电(20秒)。

图6。长期稳定性图(最大误差0.0018°C)。

显然，DWDM光纤系统将取代单波长系统。大多数供应商从100GHz的间隔开始，并计划25ghz信道间隔。Maxim集成产品的MAX8520/21可以轻松提供25GHz信道间隔所需的性能水平，使其成为从事DWDM光纤系统设计的理想基础。Maxim还能够提供超小型UCSP封装的MAX8521，该封装足够小，可以集成到激光模块中，从而进一步节省空间。

图7。

图8。