本應(yīng)用筆記首先簡(jiǎn)要討論了熱電冷卻器（TEC）的基本工作原理及其在光模塊中的應(yīng)用。然后介紹了一種基于 DS4830A 光學(xué)微控制器的 TEC 控制數(shù)字方法。本文包含數(shù)學(xué)分析、算法實(shí)現(xiàn)、固件流程圖、編碼技巧以及示例代碼，使本文成為使用 DS4830A 進(jìn)行 TEC 控制的分步指南。使用典型光學(xué)模塊中使用的 TEC 器件可以輕松實(shí)現(xiàn) ±0.1°C 的精度。
    簡(jiǎn)介
    本文檔介紹如何使用 DS4830A 光學(xué)微控制器控制 TEC。首先使用雙線性變換將原型模擬控制器的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為離散域。然后為電流環(huán)提供 PI 控制器。將系統(tǒng)地解釋所有程序及其使用 DS4830A 的實(shí)現(xiàn)。
    本文首先簡(jiǎn)要討論熱電冷卻器 (TEC) 的基本工作理論及其在光模塊中的應(yīng)用。然后介紹了一種使用光學(xué)微控制器進(jìn)行 TEC 控制的數(shù)字方法。本文包含數(shù)學(xué)分析、算法實(shí)現(xiàn)、固件流程圖、編碼技巧和示例代碼，使本文成為 TEC 控制的分步指南。附錄包括數(shù)字濾波器系數(shù)計(jì)算器實(shí)驗(yàn)室結(jié)果和示例代碼。
    第一部分：背景信息
    TEC 的工作原理
    熱電冷卻器 (TEC) 是一種基于珀耳帖效應(yīng)的裝置。它通常由兩種材料組成，在強(qiáng)制直流電流通過時(shí)將熱量從設(shè)備的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。熱量被帶走的一側(cè)變冷；熱量移動(dòng)到的一側(cè)變熱。當(dāng)電流反轉(zhuǎn)方向時(shí)，先前“冷”的一側(cè)會(huì)變熱，先前“熱”的一側(cè)會(huì)變冷。
    TEC 沒有移動(dòng)部件或工作流體，因此非?？煽坎⑶页叽绶浅Ｐ　?TEC 用于許多需要精確溫度控制的應(yīng)用，包括光學(xué)模塊。
    光模塊需要精確的溫度控制有兩個(gè)主要原因。
    1) 激光器需要冷卻或加熱以保持其光學(xué)性能。
    2) 激光需要設(shè)置在特定的波長(zhǎng)。
    密集波分復(fù)用 (DWDM) 中還需要良好控制的溫度，以實(shí)現(xiàn)精確的通道間隔。盡管多個(gè)激光器可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)光纖以實(shí)現(xiàn)大的多通道數(shù)據(jù)速率，但需要嚴(yán)格控制激光波長(zhǎng)以確保正確的通道間隔。由于激光波長(zhǎng)與溫度相關(guān)，因此必須很好地控制溫度。因此，溫度控制對(duì)于許多光學(xué)應(yīng)用來說是一項(xiàng)重要任務(wù)。由于 TEC 尺寸小且易于使用，因此廣泛應(yīng)用于此類應(yīng)用。
    第二部分：TEC 控制背后的數(shù)學(xué)
    **TEC 控制概述：雙環(huán)控制的重要性**
    TEC 通常用作加熱或冷卻元件來控制特定設(shè)備（例如激光模塊）的溫度。為了獲得良好的性能，實(shí)施了雙閉環(huán)（熱環(huán)路和電流環(huán)路）控制。圖 1 是一個(gè)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)框圖，顯示了 TEC 控制的基本思想。
        簡(jiǎn)化的 TEC 控制框圖。
    典型激光應(yīng)用中的控制環(huán)路基本上工作如下。首先，根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)定激光模塊的目標(biāo)溫度。溫度傳感裝置（通常是熱敏電阻）感測(cè)實(shí)際的模塊溫度。目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度的差值就是溫度誤差。熱環(huán)路控制器處理該溫度誤差。熱環(huán)路控制器的輸出是目標(biāo) TEC 電流。與熱環(huán)路類似，電流檢測(cè)組件檢測(cè) TEC 電流并將其與目標(biāo) TEC 電流進(jìn)行比較。差異在于當(dāng)前誤差。接下來，電流誤差被提供給電流環(huán)控制器。電流環(huán)控制器調(diào)節(jié) TEC 驅(qū)動(dòng)電路，以保持實(shí)際 TEC 電流接近目標(biāo)值。通過明智地設(shè)計(jì)控制器和 TEC 驅(qū)動(dòng)電路，可以實(shí)現(xiàn)高性能 TEC 控制。
    傳統(tǒng)的控制策略和實(shí)現(xiàn)
    市場(chǎng)上傳統(tǒng)的TEC控制策略使用模擬器件，例如模擬TEC控制器/驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)算放大器（op amps）來實(shí)現(xiàn)控制邏輯。盡管這些電路已經(jīng)很完善，但它們也有一些缺點(diǎn)。
    1) 模擬實(shí)現(xiàn)通常需要許多元件，這反過來又需要更多的PCB面積。擁有更多組件也會(huì)導(dǎo)致更高的故障率。
    2) 在模擬方法中，控制閾值和系數(shù)由分立元件設(shè)置。為了實(shí)現(xiàn)高控制性能，需要使用具有嚴(yán)格公差的元件，這反過來又增加了成本。這些組件也會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生漂移，從而影響 TEC 性能。
    3) 從開發(fā)的角度來看，修改已開發(fā)的電路以適應(yīng)新的應(yīng)用并不容易。組件值是相互依賴的，并且必須更改許多組件才能進(jìn)行修改。
    使用 DS4830A 光學(xué)控制器進(jìn)行數(shù)字 TEC 控制
    DS4830A 是一款 16 位低功耗微控制器，具有實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字 TEC 控制所需的資源。微控制器需要具有多種集成功能：
    具有 26 輸入多路復(fù)用器的 13 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)
    八通道獨(dú)立 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)
    10 個(gè)脈寬調(diào)制 (PWM) 通道，分辨率高達(dá) 16 位
    32k 字閃存和 2k 字 SRAM
    具有 48 位累加器的單周期乘法累加單元 (MAC)
    與模擬 TEC 控制器不同，DS4830A 光學(xué)微控制器使用帶有固件的數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 來實(shí)現(xiàn)控制邏輯。這減少了所需組件的數(shù)量，并使控制參數(shù)更加準(zhǔn)確和可重復(fù)。此外，修改固件以適應(yīng)新應(yīng)用比更改分立組件更容易。圖 2 是說明數(shù)字 TEC 控制方法的系統(tǒng)框圖。
    DS4830A TEC 控制框圖。
    從這種 TEC 控制方法中可以得出一些重要的結(jié)論：
    1) 溫度轉(zhuǎn)換為電壓并用電壓表示?？刂茻崦綦娮桦妷簩?shí)際上就是控制激光模塊的溫度。
    2) 所有輸入信號(hào)在處理前均進(jìn)行數(shù)字化。設(shè)定點(diǎn)電壓和熱敏電阻電壓使用單端通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換； TEC 電流和電壓使用差分通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以獲得更好的性能。
    3) 圖2中的熱環(huán)控制器和電流環(huán)控制器都是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的，這減少了所使用的元件數(shù)量。
    4) 熱環(huán)和電流環(huán)的更新周期不同。熱環(huán)路更新周期通常是電流環(huán)路更新周期的倍數(shù)。稍后將更詳細(xì)地討論這一點(diǎn)。
    在下一節(jié)中，我們將討論熱環(huán)控制器的原理和操作。
    DS4830A TEC 控制：熱環(huán)路的操作    熱環(huán)路控制器的主要功能是處理溫度誤差，即激光模塊的目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度之間的差異，并生成目標(biāo)TEC 電流。圖 1 對(duì)此進(jìn)行了說明。圖 2 顯示了更多詳細(xì)信息。

    如前所述，溫度被轉(zhuǎn)換為電壓并由電壓表示。具體地，激光模塊的目標(biāo)溫度由設(shè)定點(diǎn)電壓表示，用VSET表示。熱敏電阻通常放置在非常靠近激光模塊的位置，使得熱敏電阻的溫度實(shí)際上與激光模塊的溫度相同。同樣，熱敏電阻溫度由熱敏電阻兩端的電壓 VTHERM 表示。控制激光模塊的溫度相當(dāng)于控制VTHERM。由于熱環(huán)路控制器是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的，因此設(shè)定點(diǎn)電壓和熱敏電阻電壓均由 ADC 數(shù)字化。