基于热电制冷器的温度控制电路的制作方法
【专利说明】基于热电制冷器的温度控制电路
[0001]本申请是2013年09月18日提出的发明名称为“基于热电制冷器的温度控制电路”的中国发明专利申请201310434874.3的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于热电制冷器的温度控制电路。
【背景技术】
[0003]随着人们对高带宽的需求不断增加，在光通信领域，要求光模块的传输速率越来越高，体积却越来越小。光模块中的EML(Electro-absorpt1n Modulated Laser，电吸收外调制激光器)具有较好的光谱特性、响应速度快、功耗低等特点，因此广泛应用于光通信中。
[0004]由于EML激光器的中心波长、输出功率等都受到激光器温度的影响，因此要保持EML激光器的中心波长、输出功率的稳定，需要对EML激光器的温度进行控制。特别是针对DffDMCDense Wavelength Divis1n Multiplexing，密集型光波复用)应用的场景，在应用最多的100G和50G信道间隔，要求其标准波长间隔分别为0.8nm和0.4nm。为了保证信道间隔，系统厂家提出100G和50G的中心波长稳定度要求一般为正负20pm和正负10pm。这个稳定度要求是非常严格的，因此，需要严格控制EML激光器的温度。
[0005]实际应用中，一般用TEC(Thermoelectric cooler，热电制冷器又称半导体制冷器)温度控制电路来保证EML激光器工作温度的恒定。现有的TEC温度控制方法，一般由MCU(Micro Control Unit，微控制单元)中的ADC(Analog_Digital Converter，模数转换器)构建采样电路，采样电路由预先设置的参考电压供电，ADC按照预先设置的采样周期采样设置在EML激光器中的热敏电阻的电压值，结合预先存储的热敏电阻阻值与热敏电阻电压值的映射关系，获取热敏电阻的当前电阻值，再根据预先存储的该热敏电阻的温度-电阻特性关系，获取当前电阻值对应的热敏电阻温度，将获取的热敏电阻温度与MCU中预先设定的目标温度进行比较，根据获取的热敏电阻温度与目标温度的差值，生成温度闭环控制信号:当获取的热敏电阻温度高于目标温度，向TEC元件发送包含EML激光器降温的温度闭环控制信号，使TEC元件吸热，从而降低EML激光器以及热敏电阻的温度；当获取的热敏电阻温度低于目标温度，向TEC元件发送包含EML激光器升温的温度闭环控制信号，使TEC元件放热，从而升高EML激光器以及热敏电阻的温度；当获取的热敏电阻温度等于目标温度，维持TEC元件当前状态不变。这样，通过闭环控制TEC元件给EML激光器升温或降温，可以保障EML激光器温度的稳定性，进而保证EML激光器的中心波长、输出功率等的稳定。
[0006]在采样电路的参考电压确定的情况下，理论上，ADC采样的热敏电阻电压范围为OV到参考电压之间。但是，实际工程应用中，由于EML激光器工作时的温度一般处于一个范围区间，常规应用在20°C到70°C之间，根据热敏电阻的温度-电阻特性关系，当热敏电阻的温度为20°C时，对应的热敏电阻电阻值约为几千(K)欧姆，而当热敏电阻的温度为70°C时，对应的热敏电阻电阻值可达到十几K。因而，在常规应用环境中，由于热敏电阻电阻值最小也是K级，这样，导致ADC采样到的最小热敏电阻电压会远大于0V，S卩，在常规应用环境中，ADC采样到的热敏电阻电压范围只是ADC理论上采样的热敏电阻电压范围的一部分，使得ADC理论上采样的热敏电阻电压范围并没有被100%利用。这样，由于需要以更小的电压范围表征常规应用环境对应的温度，降低了 ADC的实际采样精度，从而使得激光器温度的稳定精度较差。
[0007]现有为了提高激光器温度的稳定精度，往往需要提升ADC的模数转换位数，这样，将造成硬件设计及生产成本的增加；同时，通过提升ADC的模数转换位数提高激光器温度的稳定精度，同样存在ADC理论上采样的热敏电阻电压范围并没有被100%利用的情形，使得ADC的利用率较低。
【发明内容】
[0008]本发明的实施例提供一种基于热电制冷器的温度控制电路，降低温度控制电路成本、提升ADC的利用率。
[0009]为达到上述目的，本发明实施例提供的一种基于热电制冷器的温度控制电路，一种基于热电制冷器的温度控制电路，包括:TEC元件、热敏电阻以及TEC控制单元，M⑶以及差动比例电路;其中，所述热敏电阻设置于所述TEC元件的表面，与所述差动比例电路相连；所述差动比例电路，用于采集所述热敏电阻的电压，将采集的热敏电阻电压和预设参考电压之间的差值进行差分放大，得到差分电压;所述MCU，用于接收来自所述差动比例电路的差分电压，确定TEC温度调节信号;所述TEC控制单元，用于将自所述M⑶接收的TEC温度调节信号转换为控制电流流向的电压信号;所述TEC元件，用于根据来自所述TEC控制单元的电压信号，进行吸热或放热。
[0010]较佳地，所述差动比例电路包括:运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容;其中，
所述运算放大器的同相输入端分别与所述第四电阻的一端、所述第五电阻的一端相连，所述第五电阻的另一端接地，所述第四电阻的另一端分别与所述第一电阻的一端、所述第一电容的一端以及所述热敏电阻的一端相连；
在所述第一电阻的另一端及所述第二电阻的一端同时施加恒定电压;所述第一电容的另一端及所述热敏电阻的另一端均接地；
所述运算放大器的反相输入端分别与所述第六电阻的一端、所述第七电阻的一端相连，其中，所述第七电阻的另一端与所述运算放大器的输出端相连，所述第六电阻的另一端与所述第二电阻的另一端、所述第三电阻的一端相连，所述第三电阻的另一端接地；
在所述第一电阻的另一端及所述第二电阻的另一端同时施加恒定电压;所述第一电容的另一端及所述第三电阻的另一端均接地；
所述运算放大器的输出端与所述MCU的输入端相连；
较佳地，所述差动比例电路，进一步包括:
第二电容，第二电容的一端与所述运算放大器的输出端相连，另一端接地。
[0011]较佳地，所述第四电阻与所述第五电阻的比值等于所述第六电阻与所述第七电阻的比值。
[0012]较佳地，所述第四电阻的阻值与第六电阻的阻值相等，所述第五电阻的阻值与第七电阻的阻值相等。
[0013]较佳地，所述恒定电压通过所述第二电阻、所述第三电阻进行分压，在所述第二电阻与所述第三电阻之间的第三结点处形成所述预设参考电压。
[0014]较佳地，所述第二电容用于破坏所述电压反馈网络的自激振荡条件，保持所述差动比例电路的稳定工作。
[0015]较佳地，所述根据比较结果产生TEC温度调节信号具体为:
当所述热敏电阻的采样温度高于目标温度，所述MCU产生使TEC元件吸热的以正电平表示的TEC温度调节信号；
当所述热敏电阻的采样温度低于目标温度，所述MCU产生使TEC元件放热的以负电平表示的TEC温度调节信号；
当所述热敏电阻的采样温度等于目标温度，所述MCU产生使TEC元件维持当前状态的以零电平表示的TEC温度调节信号。
[0016]较佳地，所述将自所述MCU接收的TEC温度调节信号转换为控制电流流向的电压信号，具体为:
当接收的TEC温度调节信号以正电平表示，所述TEC控制单元向所述TEC元件输出控制TEC元件的电流流向为正向的正向偏置电压信号；
当接收的TEC温度调节信号以负电平表示，所述TEC控制单元向所述TEC元件输出控制TEC元件的电流流向为负向的负向偏置电压信号；
当接收的TEC温度调节信号以零电平表示，所述TEC控制单元向所述TEC元件输出维持TEC元件的当前电流流向的维稳电压信号。
[0017]较佳地，所述根据来自所述TEC控制单元的电压信号，进行吸热或放热，具体为: 当来自所述TEC控制单元的电压信号为正向偏置电压信号，所述TEC元件的电流流向为正向，进行吸热，对所述热敏电阻进行制冷，降低所述热敏电阻的温度；
当来自所述TEC控制单元的电压信号为反向偏置电压信号，所述TEC元件的电流流向为反向，进行放热，对所述热敏电阻进行制热，升高所述热敏电阻的温度；
当来自所述TEC控制单元的电压信号为维稳电压信号，所述TEC元件维持当前电流流向。
[0018]由上述技术方案可见，本发明实施例提供的一种基于热电制冷器的温度控制电路，考虑到常规应用环境中EML激光器工作时的下限温度，预先获取该下限温度下，ADC采集的热敏电阻电压，通过增加一个差动比例电路，将差动比例电路采集的热敏电阻电压值与预设参考电压进行差分处理，使得差分处理的热敏电阻电压变化范围能够放大到ADC整个电压采样区间，使ADC电压采样区间100%被利用起来，从而提高ADC的采样精度，提升ADC的利用率。同时，增加的差动比例电路相对于提升ADC的模数转换位数导致的结构变化，设计及生产成本相对来说可以忽略，从而有效降低了温度控制