采用MAX8521進(jìn)行緊湊型DWDM激光器溫度控制

使用MAX8520/21和單通道運(yùn)算放大器，可以為DWDM（密集波分復(fù)用）激光模塊提供完整且非常緊湊的熱控制方案。由于DWDM在一根光纖上使用多個(gè)激光器，因此需要仔細(xì)控制激光器輸出頻率。這種設(shè)計(jì)可以輕松提供 25GHz 信道間隔所需的性能水平，使其成為從事 DWDM 光纖系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的理想基礎(chǔ)。

使用MAX8520/21和單通道運(yùn)算放大器，可以為DWDM（密集波分復(fù)用）激光模塊提供完整且非常緊湊的熱控制方案。由于DWDM在一根光纖上使用多個(gè)激光器，因此需要仔細(xì)控制激光器輸出頻率。具有1548GHz信道間隔的25nm DWDM系統(tǒng)要求激光頻率保持在25GHz頻段的中心。激光模塊必須通過改變其工作溫度調(diào)諧到中頻帶，然后在所有時(shí)間和環(huán)境變化中保持。由于激光驅(qū)動器通?？梢愿淖?.1nm/°C（25GHz/°C），因此需要穩(wěn)定性至少為±0.1°C的溫度控制器。這使調(diào)制后的激光光譜保持在頻段的中心（±2.5GHz），并將信道串?dāng)_限制在最低限度。Venders承諾在單根光纖上多達(dá)160個(gè)通道。

由于激光模塊必須通過將其工作溫度從 15°C 更改為 35°C 來設(shè)置為其中頻，并且環(huán)境溫度可以在 0°C 到 70°C 之間變化，因此控制器必須能夠加熱和冷卻。帕爾貼熱電冷卻器 （TEC） 可以執(zhí)行此功能，但冷卻器的電源驅(qū)動器必須能夠雙向（加熱和冷卻）操作。此外，在從加熱模式過渡到冷卻模式期間，駕駛員不得出現(xiàn)死區(qū)或搜尋。MAX8520/21為雙向電源驅(qū)動器，能夠提供高達(dá)1.5 A的電流和灌電流。MAX8520/21在激光模塊內(nèi)帶有溫度監(jiān)測器（10kΩ熱敏電阻）和單運(yùn)放，可將比例積分差分（PID）控制器作為熱調(diào)節(jié)環(huán)路實(shí)現(xiàn)。電路塊如圖1所示。完整的原理圖和器件列表可在本應(yīng)用筆記末尾找到。

圖1.熱控制回路框圖。

在本電路中，JU4可配置DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）或電位計(jì)來設(shè)置基準(zhǔn)溫度電壓。然后，運(yùn)算放大器將溫度基準(zhǔn)電壓與熱敏電阻電壓進(jìn)行比較，并將差值放大并饋入MAX8520/21。MAX8520/21輸出電流以減小運(yùn)算放大器檢測的誤差，從而完成環(huán)路。由于MAX8520/21需要CTLI的±1.5 V信號才能產(chǎn)生±1.5 A電流，因此運(yùn)算放大器必須根據(jù)輸入端的溫度誤差產(chǎn)生該信號。將溫度限值設(shè)置為±0.1°C，并知道熱敏電阻靈敏度為14mV/1°C，我們可以計(jì)算所需的運(yùn)算放大器增益。

當(dāng)
0.1°C * 14mV/1°C = 1.4mV時(shí)，

由于1.4mV * 增益 = 1.5V

運(yùn)算放大器增益必須至少為1.1K。

通過選擇50kΩ作為運(yùn)算放大器反相引腳的輸入電阻，10uF積分電容的阻抗必須至少為50MΩ。必須仔細(xì)選擇元件和布局以保證這種增益。Taiyo Yuden 指定大于 1μF 的電容器為 1GΩ/μF。對于10μF，這相當(dāng)于100MΩ。典型的測量值要高得多，但如果沒有適當(dāng)?shù)牟季趾徒M裝技術(shù)，水分或助焊劑很容易抵消實(shí)現(xiàn)高阻抗電路性能的努力。在0°C的環(huán)境箱中進(jìn)行測試會導(dǎo)致水凝結(jié)并降低電路性能。PCB（印刷電路板）上的漏電流也會在此阻抗水平上產(chǎn)生問題。因此，建議在運(yùn)算放大器的反相輸入及其相關(guān)元件周圍放置一個(gè)保護(hù)環(huán)。該保護(hù)環(huán)的位置如圖 2 所示。

圖2.保護(hù)環(huán)的印刷電路板布局。

保護(hù)環(huán)的功能如下。由于DAC輸出電壓與運(yùn)算放大器的反相輸入電壓相似，因此保護(hù)環(huán)和求和結(jié)及其在環(huán)內(nèi)的相關(guān)元件之間基本上沒有電位差。環(huán)形攔截外部表面漏電流，由DAC的低阻抗分流。低阻抗環(huán)保護(hù)（或“保護(hù)”）高增益求和節(jié)點(diǎn)免受漏電流的影響。保護(hù)環(huán)走線越寬，效果越大。DAC輸出電位的接地層也應(yīng)放置在敏感電路元件正下方的層上。即使使用保護(hù)環(huán)，水和其他表面污染仍然會降低電路性能。作為最終措施，組裝后應(yīng)在清潔和干燥的PCB及其組件上涂上丙烯酸基保形涂層.如果指定了，PCB組裝商可以將其應(yīng)用于組裝的電路板.

運(yùn)算放大器產(chǎn)生誤差信號后，MAX8520/21將CTLI輸入端的誤差電壓轉(zhuǎn)換為雙極性輸出電流。MAX8520/21的壓控輸出電流有助于控制有害的電流浪涌，并提供可編程的電流限值。輸出電流和電壓限值可通過外部電阻器獨(dú)立設(shè)置。MAX8520/21具有20個(gè)功率MOSFET，集成在小型8520引腳QFN封裝和超小型UCSP?封裝中。廢熱通過芯片底部的裸露金屬焊盤排出，然后將其焊接到PCB上的銅接地層上。MAX21/<>的高開關(guān)頻率也有助于減小外部元件尺寸。

由于TEC模塊的熱時(shí)間常數(shù)很長，因此控制回路也必須很慢才能保持穩(wěn)定性。選擇PID環(huán)路的元件以提供1Hz單位增益交越。雖然該環(huán)路的直流增益設(shè)置穩(wěn)態(tài)性能，但環(huán)路的交流增益帶寬定義了瞬態(tài)響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)最高的穩(wěn)定增益帶寬將產(chǎn)生最快的瞬態(tài)響應(yīng)，我們知道，隨著時(shí)間的推移，積分器將成倍地減少環(huán)路誤差。

雖然在無限增益下，PID環(huán)路的穩(wěn)態(tài)誤差確實(shí)為零，但在瞬態(tài)情況下，例如系統(tǒng)預(yù)熱，環(huán)路增益遠(yuǎn)小于無限。這在下面圖3的熱圖中顯示。圖3顯示了TEC系統(tǒng)對溫度階躍變化的響應(yīng)。對于此測試，模塊的內(nèi)部激光溫度設(shè)置為 25°C （Vtherm = 0.75V）。外部溫度在25分鐘內(nèi)從45°C變?yōu)?0°C（1°C/分鐘），然后保持40分鐘。最后，它以 25°C/分鐘的速度斜坡回到 1°C。從圖3中，我們可以確定這種瞬態(tài)變化的熱誤差為200μV Pk至Pk，或15m°C或±7.5m°C。 在保持期結(jié)束時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差小于50μV Pk至Pk，遠(yuǎn)小于瞬態(tài)誤差。需要注意的是，本報(bào)告中的熱數(shù)據(jù)表明控制系統(tǒng)可以精確地調(diào)節(jié)熱敏電阻的溫度，這可能不能準(zhǔn)確代表激光溫度或產(chǎn)生的光波長。

圖3.十二小時(shí)帶狀圖顯示控制回路的熱性能。

圖4顯示了系統(tǒng)對三種不同外部溫度斜坡（每分鐘1度、0.7度和0.3度）的響應(yīng)。在此測試中，模塊的內(nèi)部溫度設(shè)置為35°C（Vtherm = 0.592V）。重要的是要注意，準(zhǔn)確的溫度測量必須經(jīng)過很長時(shí)間才能穩(wěn)定下來。事實(shí)上，如果有足夠的時(shí)間解決，該圖將遵循圖 4 的三個(gè)速率的中心。圖5與圖4相同的測試，內(nèi)部激光溫度設(shè)置為15°C（Vtherm = 0.916V）。

圖4.三種不同溫度變化率的熱回路性能，模塊設(shè)置為35°C。

圖5.三種不同溫度變化率的熱回路性能，模塊設(shè)置為15°C。

在進(jìn)行熱測試時(shí)，重要的是要注意水會在降低電路性能方面發(fā)揮重要作用。在0°C及以下的水下結(jié)冰，對電路沒有影響。然而，當(dāng)溫度升高時(shí)，冰融化，水會導(dǎo)致泄漏電流，從而降低熱性能。如上所述，在電路上涂上丙烯酸基保形涂層可以幫助改善這種情況。

圖6顯示了長期（8小時(shí)）穩(wěn)定性圖。該圖顯示最大熱誤差為25μV或1.8m°C。 該測試是使用電壓表完成的，每 10 秒讀取一次讀數(shù)，因此測試帶寬有限。本測試顯示的出色穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵原因是MAX4238斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器，斬波穩(wěn)定可將失調(diào)和漂移降至最低。此外，運(yùn)算放大器的關(guān)斷引腳與MAX8521的使能引腳并聯(lián)配置。這樣做是為了限制與PID積分電容從電源軌電位開始相關(guān)的啟動浪涌。由于MAX4238在關(guān)斷模式下具有高輸出阻抗，MAX8521的CTLI引腳將運(yùn)算放大器輸出和積分電容（C16）充電至1.5 V，或通過TEC模塊的電流為零。這非常有助于限制啟動浪涌，否則會迫使TEC模塊吸收全電流，直到積分電容器放電（20Sec）。

圖6.長期穩(wěn)定性圖（最大誤差0.0018°C）。

顯然，DWDM光纖系統(tǒng)將取代單波長系統(tǒng)。大多數(shù)供應(yīng)商從100GHz間隔開始，并計(jì)劃使用25GHz信道間隔。Maxim集成產(chǎn)品的MAX8520/21可輕松提供25GHz信道間距所需的性能水平，是設(shè)計(jì)人員從事DWDM光纖系統(tǒng)的理想基礎(chǔ)。Maxim還能夠提供采用超小型UCSP封裝的MAX8521，該封裝足夠小，可以集成在激光器模塊中，從而進(jìn)一步節(jié)省空間。

圖7.

圖8.

審核編輯：郭婷