光模块的温度校准方法与流程

1.本发明涉及光模块测温技术领域，具体而言，涉及一种光模块的温度 校准方法。


背景技术：

2.随着技术升级更新，模块的外观尺寸也朝着小型化发展，由于小型 化导致接口板的接口密度越来越高，所以散热与温度管理成为关注重点。
3.模块的功能都遵循协议标准来设计，都具有数字诊断监控功能 (sff-8472协议定义)，监控指标包含模块温度(temperature)、工作电压 (voltage)、偏置电流(ibias)、传输光功率(txpower)、接收光功率 (rxpower)。
4.由于光模块中核心部件之一发光器件(一般称为tosa)的发光部分 由半导体材料制作而成(接收器件同理)，其输出特性的优劣受温度影响。 因此，对光模块来说，温度不仅影响传输光功率、消光比的大小，眼图质 量的好坏，也影响收端灵敏度，特别是apd-rosa,所以温度补偿用于修复因 温度变化所带来的不良影响，是模块开发过程中重要项目之一。
5.而温度补偿的基础是温度监控准确度，只有准确的温度监控才能保 障传输光功率、消光比、收端灵敏度等参数有准确的补偿值，在不同的温 度点下(工业档标准操作温度范围为-40℃-85℃)。
6.目前模块的温度校准方法采用三温拟合法，通过在常温(25℃)、高 温与低温三个温度点收集光模块的temp-adc值与实测case温度的对应值 拟合获取温度校准系数。通过三温拟合法得到的校准系数，作为经验系数 来覆盖所有模块的温度校准，虽然简便，但受芯片工艺、散热等因素的影 响，在同一环境温度下，各个模块间的mcu采集的监控温度也存在离散度大于标准温度偏差3℃以上的情形，使用一个温度校准系数，并不能完全覆 盖所有模块；
7.对于不带mcu的模块方案，一般是将温度检测单元集成到driver chip 中，同样受芯片工艺、散热等因素的影响，再加上因发光器件的发光效率 一致性、接收器件一致性都存在差异，这样的差异会导致driver的操作总 电流不一样，发热量也不一样；在同一环境温度下，driver采集的监控温 度离散度大于标准温度偏差5℃以上的情形更严重，而使用同一个温度校准 经验系数，会进一步放大模块间的监控温度差异。


技术实现要素：

8.本发明的目的包括，例如，提供了一种光模块的温度校准方法，其能 够在散热方式定型的前提下，只需在常温下即可完成模块的温度校准，使 每只模块都有独自的温度校准系数，让温度监控偏差符合标准，同时，不需要外置的温度探测器，或者植入温度检测器件到电路板上，可以降低额 外的硬件成本、开发成本及难度。
9.本发明的实施例可以这样实现：
10.本发明提供一种光模块的温度校准方法，包括：
11.通过评估板测温法得到常温实测温度；
12.通过temp-adc预估法得到常温芯片温度监控值；
13.根据常温实测温度及常温芯片温度监控值，通过热阻温补校准法得到 高温实测温度及高温芯片温度监控值；
14.根据高温实测温度及高温芯片温度监控值得到温度补偿函数。
15.在可选的实施方式中，通过评估板测温法得到常温实测温度的步骤包 括：
16.收集不同环境温度下，评估板温度与模块case温度的数据，并将拟合 得到的系数a\b\c；
17.通过系数a\b\c，由公式t
case
＝a*t
评估板2
+b*t
评估板
+c,推算得到模块的壳温 度t
case
的温度值。
18.在可选的实施方式中，在通过评估板测温法得到常温实测温度时，在 环境温度稳定的情况下，常温实测温度是评估板温度的函数tcase＝f(评估板)。
19.在可选的实施方式中，通过temp-adc预估法得到常温芯片温度监控值 的步骤包括：
20.收集稳定的环境温度下，temp-adc随着时间变化的数据，并拟合得到 的系数a\b；
21.通过系数a\b，并按预估稳定预设时间，推算出不同总电流对应的c值， 进而得到c值与总电流的拟合系数aa\bb\cc；
22.由评估板采集得到的模块总电流i
25℃
，通过公式c＝(aa*i
25℃
+bb)*i
25℃
+cc，推算出c值；
23.在模块上电t秒后，由公式temp-adc
25℃
＝a*t2+b*t+c,推算得到t秒后 的temp-adc值。
24.在可选的实施方式中，预设时间为60s。
25.在可选的实施方式中，在通过temp-adc预估法得到常温芯片温度监控 值时，在散热条件一致的前提下，芯片温度与时间的函数temp-adc＝f(t)，而时间又是总电流的函数f(t)＝f(i总电流)。
26.在可选的实施方式中，通过热阻温补校准法得到高温实测温度及高温 芯片温度监控值的步骤包括：
27.收集至少两个温度点的模块壳温、模块总电流(i
25℃
、i
85℃
)和常温芯 片温度监控值temp-adc
25℃
；
28.由于r＝(δt2-δt1)/δp，故，r’＝(δt2-δt1)/δi；由此，从收集的数据中 计算得到热阻r’和总电流变化量δi＝f(i
25℃
)对应的拟合系数a\b\c；
29.通过公式t2＝t1+r’*i,计算常温下的芯片温度t
25℃chip1
；
30.查询相应芯片手册中芯片温度计算公式t＝(1000x(1.8/65535)/3) xtemp-adc-(880/3)[℃]，将常温芯片温度监控值temp-adc
25℃
带入公式中 计算得到t
25℃chip2
；
[0031]
通过芯片温度t
25℃chip1
和t
25℃chip2
得到芯片温度差异量δt＝t
25℃chip2-t
25℃chip1
；
[0032]
通过常温总电流i
25℃
以及拟合经验系数a\b\c，由公式i
85℃
＝(a*i
25℃
+b+1) *i
25℃
+c，推算出高温总电流i
85℃
；
[0033]
通过δt以及公式t2＝t1+r’*i，推导出公式t
85℃chip2
＝t1
85℃
+r’*i
85℃
+δt， 推算出高温下的芯片监控温度t
85℃chip2
；
[0034]
通过芯片温度计算公式t＝(1000x(1.8/65535)/3)xtemp-adc-(880/3)[℃ ]，推
导出公式temp-adc
85℃
＝(t
85℃chip2
+(880/3))/(1000*(1.8/65535/3)推 算出temp-adc
85℃
的值；
[0035]
获得t1
25℃
、t1
85℃
、temp-adc
25℃
、temp-adc
85℃
数据，再拟合得到k、b系 数，最后通过倍数转换得到温度校准补偿系数。
[0036]
在可选的实施方式中，在收集至少两个温度点的模块壳温时，收集模 块在常温时的壳温t1
25℃
和高温时的壳温t1
85℃
。
[0037]
在可选的实施方式中，在根据高温实测温度及高温芯片温度监控值得 到温度补偿函数的步骤之后，光模块的温度校准方法包括：
[0038]
将温度补偿函数放大2n倍得到mcu可识别的温度校准补偿系数；存入 mcu寄存器中以供计算调用。
[0039]
在可选的实施方式中，在通过评估板测温法得到常温实测温度的步骤 之前，光模块的温度校准方法包括：
[0040]
采集模块的常温总电流i
25℃
、芯片常温温度监控值temp-adc
25℃
和实测 温度t1
25℃
。
[0041]
本发明实施例的有益效果包括，例如：
[0042]
该光模块的温度校准方法，包括：通过评估板测温法得到常温实测温 度；通过temp-adc预估法得到常温芯片温度监控值；根据常温实测温度及 常温芯片温度监控值，通过热阻温补校准法得到高温实测温度及高温芯片 温度监控值；根据高温实测温度及高温芯片温度监控值得到温度补偿函数。 光模块的温度校准方法能够在散热方式定型的前提下，只需在常温下即可 完成模块的温度校准，使每只模块都有独自的温度校准系数，让温度监控偏差符合标准，同时，不需要外置的温度探测器，或者植入温度检测器件 到电路板上，可以降低额外的硬件成本、开发成本及难度。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需 要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些 实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0044]
图1为本发明实施例中光模块的温度校准方法的原理图；图2为本发明实施例中根据收集的总电流变化量δi数据得到常高温总电流变化量趋势图；图3为本发明实施例中12pcs模块低温监控温度与case温度差异图；图4为本发明实施例中12pcs模块常温监控温度与case温度差异图；图5为本发明实施例中12pcs模块高温监控温度与case温度差异图；图6为本发明实施例中总电流为158ma的temp-adc温度趋势线；图7为本发明实施例中总电流为191ma的temp-adc温度趋势线；图8为本发明实施例中c值与总电流的关系图；图9为本发明实施例中评估板温度与模块case温度的差异趋势图。
adc
85℃
；
[0062]
综合以上三个方法获得的数据t1
25℃
、t1
85℃
、temp-adc
25℃
(dec格式)、 temp-adc
85℃
(dec格式)，用两温拟合法计算出温度校准补偿系数；
[0063]
由此，该光模块的温度校准方法能够在散热方式定型的前提下，只需 在常温下即可完成模块的温度校准，使每只模块都有独自的温度校准系数，让温度监控偏差符合标准，同时，不需要外置的温度探测器，或者植入温 度检测器件到电路板上，可以降低额外的硬件成本、开发成本及难度。
[0064]
进一步地，在本实施例中，通过评估板测温法得到常温实测温度的步 骤包括：
[0065]
收集不同环境温度下，评估板温度与模块case温度的数据，并将拟合 得到的系数a\b\c；
[0066]
通过系数a\b\c，由公式t
case
＝a*t
评估板2
+b*t
评估板
+c,推算得到模块的壳温 度t
case
的温度值。
[0067]
其中，在通过评估板测温法得到常温实测温度时，在环境温度稳定的 情况下，常温实测温度是评估板温度的函数tcase＝f(评估板)。
[0068]
进一步地，在本实施例中，通过temp-adc预估法得到常温芯片温度监 控值的步骤包括：
[0069]
收集稳定的环境温度下，temp-adc随着时间变化的数据，并拟合得到 的系数a\b；
[0070]
通过系数a\b，并按预估稳定预设时间，推算出不同总电流对应的c值， 进而得到c值与总电流的拟合系数aa\bb\cc；
[0071]
由评估板采集得到的模块总电流i
25℃
，通过公式c＝(aa*i
25℃
+bb)*i
25℃
+cc，推算出c值；
[0072]
在模块上电t秒后，由公式temp-adc
25℃
＝a*t2+b*t+c,推算得到t秒后 的temp-adc值。
[0073]
其中，预设时间为60s。而且在通过temp-adc预估法得到常温芯片温 度监控值时，在散热条件一致的前提下，芯片温度与时间的函数 temp-adc＝f(t)，而时间又是总电流的函数f(t)＝f(i总电流)。
[0074]
进一步地，在本实施例中，通过热阻温补校准法得到高温实测温度及 高温芯片温度监控值的步骤包括：
[0075]
收集至少两个温度点的模块壳温、模块总电流(i
25℃
、i
85℃
)和常温芯 片温度监控值temp-adc
25℃
；
[0076]
由于r＝(δt2-δt1)/δp，故，r’＝(δt2-δt1)/δi；由此，从收集的数据中 计算得到热阻r’和总电流变化量δi＝f(i
25℃
)对应的拟合系数a\b\c；
[0077]
通过公式t2＝t1+r’*i,计算常温下的芯片温度t
25℃chip1
；
[0078]
查询相应芯片手册中芯片温度计算公式 t＝(1000x(1.8/65535)/3)xtemp-adc-(880/3)[℃]，将常温芯片温度监控 值temp-adc
25℃
带入公式中计算得到t
25℃chip2
；
[0079]
通过芯片温度t
25℃chip1
和t
25℃chip2
得到芯片温度差异量δt＝t
25℃chip2-t
25℃chip1
；
[0080]
通过常温总电流i
25℃
以及拟合经验系数a\b\c，由公式i
85℃
＝(a*i
25℃
+b+1) *i
25℃
+c，推算出高温总电流i
85℃
；
[0081]
通过δt以及公式t2＝t1+r’*i，推导出公式t
85℃chip2
＝t1
85℃
+r’*i
85℃
+δt， 推算出
高温下的芯片监控温度t
85℃chip2
；
[0082]
通过芯片温度计算公式t＝(1000x(1.8/65535)/3)xtemp-adc-(880/3)[℃ ]，推导出公式temp-adc
85℃
＝(t
85℃chip2
+(880/3))/(1000*(1.8/65535)/3)推 算出temp-adc
85℃
的值；
[0083]
获得t1
25℃
、t1
85℃
、temp-adc
25℃
、temp-adc
85℃
数据，再拟合得到k、b系 数，最后通过倍数转换得到温度校准补偿系数。
[0084]
其中，在收集至少两个温度点的模块壳温时，收集模块在常温时的壳 温t1
25℃
和高温时的壳温t1
85℃
。
[0085]
进一步地，在本实施例中，在根据高温实测温度及高温芯片温度监控 值得到温度补偿函数的步骤之后，光模块的温度校准方法包括：
[0086]
将温度补偿函数放大2n倍得到mcu可识别的温度校准补偿系数；存入 mcu寄存器中以供计算调用。
[0087]
基于上述内容，在本实施例中，关于热阻温补校准法的说明及实现方 法如下：
[0088]
首先，在散热方式定型的前提下，模块的壳温度tcase是模块总电流i 的函数，即tcase＝f(i)，可以在常温下进行预估和修正，即通过模块自身 的总电流条件来校准温度系数；参照热阻的概念，通过前期收集的数据，计算得到热阻和总电流变化量等经验值，在常温下测量模块得到三个参数 (模块壳温、模块总电流、模块中芯片监控值(temp-adc))后即可计算拟 合出模块的温度校准补偿系数。
[0089]
具体步骤如下：
[0090]
步骤1，参照热阻的概念，r＝(δt2-δt1)/δp；同理，r’＝(δt2-δt1)/δ i；要获取热阻值，需要提前收集至少两个温度点(即常温和高温)的模块 壳温(t1
25℃
、t1
85℃
)、模块总电流(i
25℃
、i
85℃
)和常温芯片温度监控值 temp-adc
25℃
；
[0091]
步骤2，从收集的数据中计算得到热阻r’作为经验值、总电流变化量 δi＝f(i
25℃
)对应的拟合系数a\b\c，作为经验系数；
[0092]
步骤3，通过公式t2＝t1+r’*i,计算常温下的芯片温度t
25℃chip1
；
[0093]
步骤4，查询相应芯片手册中芯片温度的计算公式t＝(1000x (1.8/65535)/3)xtemp-adc-(880/3)[℃]，将常温芯片温度监控值 temp-adc
25℃
带入公式中计算得到t
25℃chip2
；
[0094]
步骤5，通过步骤3和步骤4两个步骤得到的数据，芯片温度差异量δ t＝t
25℃chip2-t
25℃chip1
；
[0095]
步骤6，通过步骤1和步骤2得到的常温总电流i
25℃
以及拟合经验系数 a\b\c，由公式i
85℃
＝(a*i
25℃
+b+1)*i
25℃
+c，推算出高温总电流i
85℃
；
[0096]
步骤7，通过步骤5得到的δt，以及公式t2＝t1+r’*i，推导出公式t
85℃chip2
＝t1
85℃
+r’*i
85℃
+δt，推算出高温下的芯片监控温度t
85℃chip2
；
[0097]
步骤8，通过步骤4已知的芯片监控温度计算公式，推导出公式 temp-adc
85℃
＝(t
85℃chip2
+(880/3))/(1000*(1.8/65535)/3)推算出temp-adc
85℃
的值；
[0098]
步骤9，通过以上步骤的测量和推导计算，获得t1
25℃
、t1
85℃
、temp-adc
25℃
(dec格式)、temp-adc
85℃
(dec格式)数据，再拟合得到k、b系数，最后 通过倍数转换得到温度校准补偿系数。
[0099]
在实现热阻温补校准法时，收集热阻r’和高温t1
85℃
数据如下表：
[0100][0101]
综合上表数据，r’平均值为0.05311262690；高温模块case温度t185℃ 的平均值82.95℃，且两个数值结果均固化为经验值；
[0102]
在实现热阻温补校准法时，常温到高温的总电流变化量δi数据收集如 下表：25℃80℃δp173.9249.675.7183.9268.684.7177.1250.573.4154218.564.5176.1255.579.4167.8243.375.5
[0103]
根据收集的总电流变化量δi数据得到常高温总电流变化量趋势图如图 2所示；
[0104][0105]
综合上表数据，总电流变化量的拟合系数 a＝0.0030576932,b＝-0.437,c＝59.88923，且固化为经验值。
[0106]
在实现热阻温补校准法时，验证热阻温补校准法效果，如下表：
[0107][0108]
基于上述表格，12pcs模块低温监控温度与case温度差异图如图3所 示；
[0109][0110][0111]
12pcs模块常温监控温度与case温度差异图如图4所示；
[0112][0113][0114]
12pcs模块高温监控温度与case温度差异图如图5所示；
[0115][0116][0117]
综合上表数据，三温监控与case温度的差异不超过2℃，热阻温补校 准法有效且可行。
[0118]
基于上述内容，在本实施例中，关于temp-adc预估法的说明及实现方 法如下：
[0119]
首先，要保证采用热阻温补校准法能计算出模块的温度校准补偿系数 准确，就必须要保证常温下，模块真实温度(case温度)与temp-adc是稳 定准确的。在模块上电后，temp-adc的增量是时间的函数，即δtemp-adc＝f(t)，可以通过预估的时间来换算出对应的temp-adc值。
[0120]
具体的，实现temp-adc预估法的步骤如下：
[0121]
步骤1：收集稳定的环境温度下，temp-adc随着时间变化的数据，并 将拟合得到的系数a\b，作为经验值固化下来；
[0122]
步骤2：而c系数通过固化下来的a\b系数，和按预估稳定时间60s， 推算出不同总电流对应的c值，进而得到c值与总电流的拟合系数aa\bb\cc；
[0123]
步骤3：由评估板采集得到的模块总电流i
25℃
，通过公式c＝(aa*i
25℃
+bb) *i
25℃
+cc，推算出c值；
[0124]
步骤4：通过第3步骤得到的c值，在模块上电t秒后，由公式temp-adc
25℃
＝a*t2+b*t+c,推算得到t秒后的temp-adc值。
[0125]
在实现temp-adc预估法时，在稳定的环境温度下，收集temp-adc随 着时间变化的数据，并将拟合得到的系数a\b，其中，temp-adc随着时间 变化的数据表如下：
[0126]
[0127][0128][0129]
基于上述数据，获得1z22176000734总电流为158ma的temp-adc温度趋势线，如图6所示；
[0130][0131][0132]
获得1z22176001010总电流为191ma的temp-adc温度趋势线，如图7 所示；
[0133][0134][0135]
综合上表数据，得到temp-adc随时间变化的拟合系数(平均值)，将 系数a\b作为经验值固化下来，a系数为-0.01554965，b系数为3.34154860。
[0136]
通过固化下来的a\b系数，和按预估稳定时间60s，收集不同总电流对 应的c值，如下表：
[0137]
模块总电流(ma)预估60s后temp-adcc值191.334511432.485832318335647127.4858323182.835684290.4858323181.335082200.4858323
180.534983357.485832318034704314.4858323175.434620157.4858323174.734262296.4858323174.534751284.4858323173.934614217.4858323166.135023189.485832316134730156.4858323158.13543483.485832351533481621.48583235152.834826240.4858323
[0138]
综合上表数据，c值与总电流的拟合系数(如图8所示) a＝0.1252,b＝-36.468,c＝2772.9。
[0139][0140]
验证temp-adc25℃预估法应用到热阻温补校准法的效果，如下表：
[0141][0142][0143][0144][0145]
综合上表数据，使用预估时间60s来预估常温temp-adc值的方法应用 到热阻温补校准法中，使模块的三温监控温度与case温度之间的差异不超 过3℃，证明此应用方法有效。
[0146]
基于上述内容，在本实施例中，关评估板测温法的说明及实现方法如 下：
[0147]
要保证采用热阻温补校准法能计算出模块的温度校准补偿系数准确， 就必须要保证在常温，不借助外置温度计的前提下，模块case温度实测值 是准确的。模块达到热平衡的条件下，模块case温度是评估板的温度函数，tcase(℃)＝f(t
评估板
)，可以通过读取评估板的温度来换算出模块case温度。
[0148]
步骤1：收集了不同环境温度下，评估板温度与模块case温度的数据， 并将拟合得到的系数a\b\c，作为经验值固化下来；
[0149]
步骤2：通过第1步骤得到的经验系数，由公式t
case
＝a*t
评估板2
+b*t
评估板
+c，推算得到t
case
的温度值。
[0150]
收集了不同环境温度下，评估板温度与模块case温度的数据，如下表：
[0151]
评估板sn环境温度(℃)评估板(℃)模块case(℃)deltat(℃)sevb0520180812151616.0922.66.51sevb0520180812151816.5622.66.04sevb0520180812152017.9723.95.93sevb0520180812152219.8425.55.66sevb0520180812152220.3125.95.59sevb0520180812152422.1927.75.51sevb0520180812152624.0629.55.44sevb0520180812152825.9431.35.36sevb0520180812153028.2833.55.22sevb0520180812158281.2584.22.95
[0152]
综合上表数据，评估板温度与模块case温度的拟合系数(如图9所示) 分别是，a＝0.0007，b＝-0.1192，c＝7.8919。
[0153][0154][0155]
验证使用评估板的温度来拟合模块实测温度的效果，如下表：
[0156][0157]
综合上表数据，通过收集得到的拟合系数，与读取到的评估板温度换 算后，计算的模块温度(即为模块case温度)，与实测温度值之间的差异 在0.2℃左右，说明此方法有效可行。
[0158]
验证评估板测温法应用到热阻温补校准法的效果，如下表：
[0159]
[0160][0161][0162][0163][0164]
综合上表数据，使用读取评估板测温法应用到热阻温补校准法中，得 到温度校准补偿系数，使模块的三温监控温度与case温度之间的差异不超 过2℃，证明此应用方法可行。
[0165]
综上，验证移植热阻温补校准法、评估测温法、temp-adc25℃预估法 到ate软件中的效果，如下表：
[0166][0167]
综合上表数据，移植到ate中的温度补偿校准方法(综合了热阻温补 校准法、评估测温法、temp-adc25℃预估法)，满足温度校准以及精度(
±ꢀ
3℃)的要求。由此，在散热方式定型的前提下，只需在常温下即可完成模 块的温度校准，使每只模块都有独自的温度校准系数，让温度监控偏差符 合标准(一般温度监控精度标准为
±
3℃)。同时，不需要外置的温度探测 器，或者植入温度检测器件到电路板上，可以降低额外的硬件成本、开发 成本及难度。
[0168]
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的 保护范围应以权利要求的保护范围为准。