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使用 DS4830A 进行热电冷却器控制
接线图
2024年01月26日 10:51 71
admin
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。
第一部分：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 用于许多需要精确温度控制的应用，包括光学模块。
光模块需要精确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，以实现精确的通道间隔。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。
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。
第一部分：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 用于许多需要精确温度控制的应用，包括光学模块。
光模块需要精确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，以实现精确的通道间隔。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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