TEC的兩個(gè)主要參數(shù)是其最大電流和最大電壓。它們的定義是：熱縮短TEC的熱側(cè)和冷側(cè)，使TEC輸出最大的熱流的電流就是最大電流。最大電流下TEC兩端的電壓為最大電壓。

當(dāng)TEC的電流小于最大值時(shí)，電流越大，輸出到熱負(fù)載的熱功率就越大。因此，可以通過流過TEC的電流的大小和方向來控制目標(biāo)設(shè)備的溫度。

TEC的尺寸為2mm×2mm×1.5mm至50mm×50mm×4mm。在電信組件中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)TEC的尺寸從5mm×5mm×2mm到10mm×10mm×3mm。熱輸出功率范圍為0.5W至16W。在電信系統(tǒng)中，最大TEC電壓范圍為1伏至5伏。

假設(shè)系統(tǒng)中的每個(gè)組件都是理想的，則目標(biāo)上的溫度可以保持在0.00001°C之內(nèi)。在光發(fā)射器應(yīng)用中，所需的溫度穩(wěn)定性范圍為±0.02°C至±0.1°C，具體取決于激光器和波長間隔要求。在EDFA應(yīng)用中，所需的溫度穩(wěn)定性通常為±0.2°C至±0.5°C。對于無源光學(xué)組件，穩(wěn)定性要求范圍更廣：±0.001°C至±5°C。

控制TEC

圖1顯示了控制TEC所需的基本功能塊。第一個(gè)元素是溫度傳感器，用于測量安裝在TEC冷側(cè)的目標(biāo)的溫度。電信組件中最常用的溫度傳感器是溫度敏感電阻器，即所謂的熱敏電阻。熱敏電阻的電阻隨著溫度的升高而減小。熱敏電阻的電阻被轉(zhuǎn)換成代表所測目標(biāo)溫度的電壓。外部電壓，代表設(shè)定點(diǎn)溫度通過運(yùn)算放大器將目標(biāo)溫度（即期望的目標(biāo)溫度）與目標(biāo)溫度電壓進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生誤差電壓。該誤差電壓由高增益放大器放大，以補(bǔ)償由目標(biāo)和TEC冷側(cè)板的熱質(zhì)量引起的相位滯后，然后驅(qū)動(dòng)H橋輸出。H橋控制TEC電流的大小和方向。當(dāng)目標(biāo)溫度低于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋沿一定方向和大小驅(qū)動(dòng)TEC，從而使目標(biāo)溫度升高。當(dāng)目標(biāo)溫度高于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋?qū)⑼ㄟ^降低甚至反轉(zhuǎn)TEC電流來降低目標(biāo)溫度。控制回路穩(wěn)定后，TEC電流的大小和方向就正確了，

?

?

?

熱敏電阻具有靈敏度高，體積小，成本低的優(yōu)點(diǎn)。對于高絕對精度應(yīng)用，熱敏電阻具有長期漂移高（±0.1°C /年）和絕對誤差高（±1％）的缺點(diǎn)。其他類型的溫度傳感器，例如RTD，一種基于鉑電阻的器件，可用于要求較低漂移和較小誤差的應(yīng)用。

TEC控制器可以根據(jù)輸出級的工作模式進(jìn)行分類：線性模式和開關(guān)模式。線性模式TEC控制器的設(shè)計(jì)和制造更為簡單，但具有非常低的功率效率（從20％到40％不等）的缺點(diǎn)。TEC控制器的開關(guān)模式H橋具有高功率效率的優(yōu)勢，但需要兩個(gè)高功率電感器和低ESR電容器來形成輸出濾波器。由Analog Devices，Inc.制造的ADN8830在H橋中使用一個(gè)線性模式和一個(gè)開關(guān)模式輸出級。這種結(jié)構(gòu)將高功率笨重濾波組件的數(shù)量減少了一半，同時(shí)將功率效率提高到90％以上。此外，ADN8830包含圖1所示的所有控制功能塊，從而提供了一種IC TEC控制器解決方案。

高效的TEC控制器為系統(tǒng)帶來了多項(xiàng)優(yōu)勢：

• 產(chǎn)生更少的熱量–減少了將熱量排放到外部的需要。
• 消耗更少的功率–降低了電源的功率需求并降低了成本。
• 在較低的溫度下運(yùn)行–提高了控制器的可靠性。
• 無需散熱器–減小了封裝尺寸并降低了成本。

設(shè)計(jì)高性能TEC控制器

最佳的TEC控制器應(yīng)針對這些主要規(guī)格具有最佳組合：高溫穩(wěn)定性，高功率效率，低TEC紋波電流，易于接口和監(jiān)控，所需PCB面積小，故障檢測和指示以及低成本。為了實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)，必須很好地理解和做出所有這些主要參數(shù)之間的權(quán)衡。

開關(guān)頻率

為了實(shí)現(xiàn)高效率，必須選擇開關(guān)模式輸出級。開關(guān)頻率需要正確設(shè)置。將開關(guān)頻率設(shè)置為高允許在輸出濾波器中使用較小的電感器和電容器，從而降低成本和所需的PCB空間。圖2顯示了隨著開關(guān)頻率的增加，系統(tǒng)成本如何降低。圖3顯示了PCB面積如何隨著開關(guān)頻率的增加而減小。但是，較高的開關(guān)頻率將產(chǎn)生較高的EMI（電磁干擾）噪聲和較低的功率效率。

?

?

?

?

?

?

效率

如上所述，高效率為系統(tǒng)帶來了許多優(yōu)勢。但是，對于開關(guān)模式TEC控制器，可以以一定的成本實(shí)現(xiàn)高效率。

幾個(gè)因素決定了效率。這些是限制效率的功率損耗因素：

• 驅(qū)動(dòng)器功率損耗。這是在開關(guān)模式輸出級驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)的柵極所需的功率。它與開關(guān)頻率成正比，即，當(dāng)開關(guān)頻率加倍時(shí)，驅(qū)動(dòng)器功率損耗將加倍。可以通過降低開關(guān)頻率和/或選擇低輸入電容的開關(guān)來降低它。
• 電感器和開關(guān)MOSFET中的輸出電容性負(fù)載損耗，即在開關(guān)模式級的輸出端驅(qū)動(dòng)輸出電容器引起的損耗。該損耗也與頻率成正比，可以通過使用低輸入電容電感器和低輸出電容開關(guān)MOSFET來降低。
• 鐵損。它由電感器磁芯中的磁滯損耗和渦流損耗組成。對于使用鐵氧體磁芯的高頻功率電感器，這兩個(gè)損耗在低于500kHz的頻率下都很低，但是隨著開關(guān)頻率接近1MHz時(shí)，損耗會(huì)迅速增加。選擇使用高頻鐵氧體磁芯的電感器可以減少這種損耗。
• 切換臺Ron損失。開關(guān)傳導(dǎo)電流時(shí)，由其電阻引起的損耗。使用低Ron MOSFET將降低此損耗。
• 輸出電感器DCR損耗。當(dāng)輸出濾波電感器傳導(dǎo)交流和直流電流時(shí)，其直流電阻引起的損耗。使用低DCR的電感器會(huì)減少此損耗，但電感器的尺寸會(huì)增大。

?

?

?

與使用完全對稱的H橋的開關(guān)輸出架構(gòu)不同，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)策略（例如一種與ADI公司的ADN8830 TEC控制器一起使用（已獲得專利））將橋的一側(cè)以線性模式使用，另一側(cè)以開關(guān)模式使用，以提高輸出效率。 。線性和開關(guān)輸出級的這種組合將輸出紋波電流減小了兩倍，減少了外部組件數(shù)量，但提高了效率。當(dāng)處于大信號運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，線性模式輸出級將根據(jù)TEC是在加熱模式還是在冷卻模式工作，在飽和到電源軌之一的“開關(guān)模式”下工作，以提高效率。在小信號操作中，線性模式輸出級將以線性模式操作，以在加熱模式和冷卻模式之間提供平穩(wěn)的過渡。

準(zhǔn)確性和長期穩(wěn)定性

如果熱敏電阻是理想的無誤差器件，則溫度精度將僅取決于輸入誤差放大器的失調(diào)。

需要考慮兩個(gè)溫度穩(wěn)定性：短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。短期穩(wěn)定性定義為相對于TEC控制器的環(huán)境溫度變化的目標(biāo)溫度變化（以°C /°C為單位）。目標(biāo)溫度變化是由環(huán)境溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓漂移引起的。長期穩(wěn)定性定義為目標(biāo)溫度隨時(shí)間變化（以°C /年為單位）。與上述相同，該目標(biāo)溫度變化通常源于偏移電壓隨時(shí)間的變化，通常需要數(shù)年時(shí)間。

如果單芯片TEC控制器在前端使用自動(dòng)調(diào)零放大器，其失調(diào)電壓約為1μV，并且不會(huì)隨時(shí)間或溫度而漂移，那么它可以實(shí)現(xiàn)最終的溫度精度和優(yōu)于±0.01的長期穩(wěn)定性。 ℃。

噪聲性能–紋波電流

如果輸出濾波電容器和輸出電感器保持相同的值，則降低開關(guān)頻率將提高功率效率，并且還會(huì)增加流經(jīng)TEC控制器的紋波電流。為了將紋波電流限制在一定限度以下，開關(guān)頻率必須足夠高，因此必須犧牲一些TEC控制器的效率。圖5顯示，對于給定的紋波電流，所需的電感和電容隨開關(guān)頻率的增加而減小。

?

?

?

對于大多數(shù)應(yīng)用而言，典型的電感值為4μH，可維持1.5A的TEC電流和500KHz的默認(rèn)開關(guān)頻率，從而使輸出電壓紋波維持在1％以下。采用非對稱架構(gòu)（即ADN8830）設(shè)計(jì)的TEC控制器將紋波電流降低了一半。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化-穩(wěn)定性與響應(yīng)速度

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)會(huì)影響響應(yīng)速度和溫度穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)速度（即建立時(shí)間短）和高溫穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)需要精確匹配熱負(fù)荷。但是，這樣做并非易事。精確匹配的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為熱控制回路的穩(wěn)定性留出了較少的余量。保守補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致更長的建立時(shí)間，但可以容忍TEC驅(qū)動(dòng)電流和溫度傳感器之間的熱傳遞特性發(fā)生更多變化。

一些單芯片TEC控制器使用外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并且僅需要幾個(gè)電阻器和電容器。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)其熱負(fù)載特性調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而獲得最佳的溫度穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)定性裕度。

多TEC操作-與其他TEC控制器的接口

TEC控制器可以組合在一起以控制多個(gè)TEC，即多控制器操作。開關(guān)頻率需要同步，但是開關(guān)相位需要交錯(cuò)。交織開關(guān)相位可以使施加在電源線上的開關(guān)紋波電壓最小。

在多控制器操作中，上電過程應(yīng)該是順序的。打開一個(gè)TEC控制器，然后等待溫度就緒引腳變?yōu)門RUE，表明目標(biāo)溫度等于設(shè)定點(diǎn)溫度。然后打開下一個(gè)TEC。這樣，電源將不會(huì)出現(xiàn)大電流尖峰。因此，頻率同步和相位交織控制功能必將為此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加價(jià)值。準(zhǔn)備好溫度是幾乎所有應(yīng)用程序的另一個(gè)有用功能。

控制，監(jiān)控和保護(hù)

TEC控制器可以單獨(dú)使用，也可以進(jìn)行廣泛的控制和監(jiān)視。需要根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置控制和監(jiān)視范圍。這些是經(jīng)常控制的參數(shù)：目標(biāo)溫度，TEC最大電流，TEC控制器關(guān)閉等。這些是可以監(jiān)視的參數(shù)：目標(biāo)溫度，TEC電流，TEC電壓，溫度就緒指示等。

為了使系統(tǒng)可靠運(yùn)行，有效指示系統(tǒng)故障非常重要。保護(hù)熱敏電阻和TEC的開路或短路至關(guān)重要。限流和限壓功能對于確保系統(tǒng)可靠也很重要。

結(jié)論

控制TEC給設(shè)計(jì)人員帶來了許多挑戰(zhàn)。系統(tǒng)芯片包括控制TEC所需的大多數(shù)功能，因此可將許多挑戰(zhàn)降至最低。同時(shí)，它降低了成本和PCB空間，提高了效率和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)了最佳的TEC控制功能。選擇合適的TEC控制器芯片將有助于工程師實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計(jì)。