使用 DS4830A 进行热电冷却器控制

出处:维库电子市场网时间:2023-08-28
    本应用笔记首先简要讨论了热电冷却器(TEC)的基本工作原理及其在光模块中的应用。然后介绍了一种基于 DS4830A 光学微控制器的 TEC 控制数字方法。本文包含数学分析、算法实现、固件流程图、编码技巧以及示例代码,使本文成为使用 DS4830A 进行 TEC 控制的分步指南。使用典型光学模块中使用的 TEC 器件可以轻松实现 ±0.1°C 的精度。
    简介
    本文档介绍如何使用 DS4830A 光学微控制器控制 TEC。首先使用双线性变换将原型模拟控制器的传递函数转换为离散域。然后为电流环提供 PI 控制器。将系统地解释所有程序及其使用 DS4830A 的实现。
    本文首先简要讨论热电冷却器 (TEC) 的基本工作理论及其在光模块中的应用。然后介绍了一种使用光学微控制器进行 TEC 控制的数字方法。本文包含数学分析、算法实现、固件流程图、编码技巧和示例代码,使本文成为 TEC 控制的分步指南。附录包括数字滤波器系数计算器实验室结果和示例代码。
    部分:背景信息
    TEC 的工作原理
    热电冷却器 (TEC) 是一种基于珀耳帖效应的装置。它通常由两种材料组成,在强制直流电流通过时将热量从设备的一侧传递到另一侧。热量被带走的一侧变冷;热量移动到的一侧变热。当电流反转方向时,先前“冷”的一侧会变热,先前“热”的一侧会变冷。
    TEC 没有移动部件或工作流体,因此非常可靠并且尺寸非常小。 TEC 用于许多需要温度控制的应用,包括光学模块。
    光模块需要的温度控制有两个主要原因。
    1) 激光器需要冷却或加热以保持其光学性能。
    2) 激光需要设置在特定的波长。
    密集波分复用 (DWDM) 中还需要良好控制的温度,以实现的通道间隔。尽管多个激光器可以同时驱动光纤以实现大的多通道数据速率,但需要严格控制激光波长以确保正确的通道间隔。由于激光波长与温度相关,因此必须很好地控制温度。因此,温度控制对于许多光学应用来说是一项重要任务。由于 TEC 尺寸小且易于使用,因此广泛应用于此类应用。
    第二部分:TEC 控制背后的数学
    **TEC 控制概述:双环控制的重要性**
    TEC 通常用作加热或冷却元件来控制特定设备(例如激光模块)的温度。为了获得良好的性能,实施了双闭环(热环路和电流环路)控制。图 1 是一个简化的系统框图,显示了 TEC 控制的基本思想。
        简化的 TEC 控制框图。
    典型激光应用中的控制环路基本上工作如下。首先,根据应用要求设定激光模块的目标温度。温度传感装置(通常是热敏电阻)感测实际的模块温度。目标温度与实际温度的差值就是温度误差。热环路控制器处理该温度误差。热环路控制器的输出是目标 TEC 电流。与热环路类似,电流检测组件检测 TEC 电流并将其与目标 TEC 电流进行比较。差异在于当前误差。接下来,电流误差被提供给电流环控制器。电流环控制器调节 TEC 驱动电路,以保持实际 TEC 电流接近目标值。通过明智地设计控制器和 TEC 驱动电路,可以实现高性能 TEC 控制。
    传统的控制策略和实现
    市场上传统的TEC控制策略使用模拟器件,例如模拟TEC控制器/驱动器和运算放大器(op amps)来实现控制逻辑。尽管这些电路已经很完善,但它们也有一些缺点。
    1) 模拟实现通常需要许多元件,这反过来又需要更多的PCB面积。拥有更多组件也会导致更高的故障率。
    2) 在模拟方法中,控制阈值和系数由分立元件设置。为了实现高控制性能,需要使用具有严格公差的元件,这反过来又增加了成本。这些组件也会随着时间的推移而发生漂移,从而影响 TEC 性能。
    3) 从开发的角度来看,修改已开发的电路以适应新的应用并不容易。组件值是相互依赖的,并且必须更改许多组件才能进行修改。
    使用 DS4830A 光学控制器进行数字 TEC 控制
    DS4830A 是一款 16 位低功耗微控制器,具有实现高性能数字 TEC 控制所需的资源。微控制器需要具有多种集成功能:
    具有 26 输入多路复用器的 13 位模数转换器 (ADC)
    八通道独立 12 位数模转换器 (DAC)
    10 个脉宽调制 (PWM) 通道,分辨率高达 16 位
    32k 字闪存和 2k 字 SRAM
    具有 48 位累加器的单周期乘法累加单元 (MAC)
    与模拟 TEC 控制器不同,DS4830A 光学微控制器使用带有固件的数字信号处理 (DSP) 来实现控制逻辑。这减少了所需组件的数量,并使控制参数更加准确和可重复。此外,修改固件以适应新应用比更改分立组件更容易。图 2 是说明数字 TEC 控制方法的系统框图。
    DS4830A TEC 控制框图。
    从这种 TEC 控制方法中可以得出一些重要的结论:
    1) 温度转换为电压并用电压表示。控制热敏电阻电压实际上就是控制激光模块的温度。
    2) 所有输入信号在处理前均进行数字化。设定点电压和热敏电阻电压使用单端通道进行转换; TEC 电流和电压使用差分通道进行转换,以获得更好的性能。
    3) 图2中的热环控制器和电流环控制器都是数字实现的,这减少了所使用的元件数量。
    4) 热环和电流环的更新周期不同。热环路更新周期通常是电流环路更新周期的倍数。稍后将更详细地讨论这一点。
    在下一节中,我们将讨论热环控制器的原理和操作。
    DS4830A TEC 控制:热环路的操作    热环路控制器的主要功能是处理温度误差,即激光模块的目标温度与实际温度之间的差异,并生成目标TEC 电流。图 1 对此进行了说明。图 2 显示了更多详细信息。

    如前所述,温度被转换为电压并由电压表示。具体地,激光模块的目标温度由设定点电压表示,用VSET表示。热敏电阻通常放置在非常靠近激光模块的位置,使得热敏电阻的温度实际上与激光模块的温度相同。同样,热敏电阻温度由热敏电阻两端的电压 VTHERM 表示。控制激光模块的温度相当于控制VTHERM。由于热环路控制器是数字实现的,因此设定点电压和热敏电阻电压均由 ADC 数字化。
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