专利名称：自动温度控制电路及包含其的光收发模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光通信领域，尤其涉及一种光收发模块的自动温度控制电路及包含其的光收发模块。
背景技术：
近年来，随着40G/100G高速光网络的快速发展，对超高速率光收发模块的需求日益增加，同时对端口密度和功耗的要求也越来越高。SFP+、CFP等光模块在长距离传输时，光器件的特性随着温度的升高会发生较大变化，使得光信号的功率、波长等参数发生很大的变化，眼图和误码率也恶化，从而导致信号变差，进而影响通信性能和可靠性。为了保证通信质量，需要保持光模块中的发射组件的光功率、波长等保持相对恒定，因而需要保持激光器的工作温度的稳定。尤其是对于DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing,密集波分复用)系统，激光器的工作波长需要满足ITU-TG.692 (国际电信联盟远程通信标准化组的G.692协议)规定的最小通道间隔为50GHz或IOOGHz的特定波长要求，因而对波长稳定性提出了更高的要求。对于高速、长距离传输的光模块，通常米用内置有TEC (Thermoelectric cooler,热电制冷器)的激光发射组件。传统的自动温度控制电路和热敏电阻相连，用于保持激光器组件内的温度恒定，从而保证激光器工作状态的稳定和输出参数的稳定。当激光器组件内由于环境温度的影响或者激光器芯片自身发发热而发生变化时，位于激光器组件管壳内的热敏电阻的阻值会随着温度的变化而改变，从而可以通过电阻值的变化来控制具有双向输出的温度控制装置的电流大小和极性，并进而通过热电制冷器来达到激光器的恒定工作温度，并维持在该工作温度下，直到再次因为环境温度变化或激光器芯片自身温升带来的工作温度的变化。举例说明，欲使激光器工作在恒温25°C下，当激光器组件的封装管壳的温度大于25°C时，热电制冷器加正偏置，启动制冷功能，促进管壳温度的下降；当激光器组件的封装管壳的温度小于25°C时，热电制冷器加负偏置，启动加热功能，促进管壳温度的上升。现有技术的光模块的温度控制装置通常采用H桥电路，通过调节H桥而改变TEC的电流大小和方向，从而保证激光器的实际温度稳定在目标温度。然而，采用H桥电路存在如下弊端:一是H桥的直流电阻和寄生电容，存在较高的静态和动态功率损耗，导致效率很低；二是为了通过足够大的电流，H桥需要选用较大尺寸的电子元件，这对电路板面积极其有限的光模块来说，非常不利于模块尺寸的设计，进而难以满足端口密度和功耗的要求；三是H桥的价格比较昂贵，导致光收发模块的成本较高。
发明内容本实用新型为了克服以上的不足，提出了一种光收发模块的自动温度控制电路及包含其的光收发模块。本实用新型的技术问题通过以下的技术方案予以解决:一种 光收发模块的自动温度控制电路，包含中央控制单元、开关电源转换器、热电制冷器和热敏电阻，所述中央控制单元包含模拟/数字转化器和数字/模拟转化器；所述热敏电阻一端接地，另一端上拉到参考电压上并连接到中央控制单元的模拟/数字转化器的管脚上，将激光器组件的温度反馈给中央控制单元；所述中央控制单元的数字/模拟转化器的管脚连接到开关电源转换器的反馈电压管脚上，从而控制开关电源转换器的输出电压，进而控制热电制冷器的制冷和制热功能。在本实用新型的一个实施例中，所述开关电源转换器为升压降压型直流(buck/boost DC/DC)开关电源转换器。在本实用新型的一个实施例中，所述中央控制单元的模拟/数字转化器为两通道12位精度的模拟/数字转化器，所述数字/模拟转化器为单通道12位精度的数字/模拟转化器。在本实用新型的一个实施例中，所述中央控制单元根据比例-积分-微分算法来控制开关电源转换器的输出。在本实用新型的一个实施例中，还包含串联电阻和高边电流检测器，所述串联电阻一端连接热电制冷器，另一端连接开关电源转换器的电压输出端，所述高边电流检测器连接串联电阻的两端，并连接到模拟/数字转化器的管脚上，将热电制冷器的电流转换为电压并反馈给中央控制单元。在本实用新型的一个实施例中，所述串联电阻的阻值为0.008欧姆到0.05欧姆。在本实用新型的一个实施例中，还包含比较器，所述比较器的输出端与开关电源转换器的反馈信号互连在一起，比较器的输入端连接热电制冷器的输入电源电压和参考电
压。 本实用新型还公开了一种光收发模块，包含光发射组件、光接收组件、电路基板、外壳和光纤接口，其特征在于，所述电路基板包含如上所述的自动温度控制电路。本实用新型采用开关电源转换器，其优势在于转换效率高(此处的效率可以简单的看作输入功率与输出功率之比)。加之开关晶体管工作于开关状态，功耗较小，发热较低。其效率和功耗相比H桥电路有明显的改善。另外，开关电源的体积较小，占据电路基板(PCB)的空间尺寸更小，非常有利于模块的小型化设计，并进而对提高端口密度和减小功耗有很大的帮助。
图1是本实用新型的实施例一的自动温度控制电路的示意图；图2是本实用新型的实施例二的自动温度控制电路的示意图；图3是本实用新型的实施例三的自动温度控制电路的示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式并结合附图对本实用新型做进一步详细说明。实施例一:如图1所示，本实用新型的光收发模块的自动温度控制电路，包含中央控制单元101、开关电源转换器102、热电制冷器103和热敏电阻104，所述中央控制单元包含模拟/数字转化器(ADC)和数字/模拟转化器(DAC);所述热敏电阻104 —端接地，另一端上拉到参考电压上并连接到中央控制单元101的模拟/数字转化器(ADC)的管脚上，将激光器组件的温度反馈给中央控制单元；所述中央控制单元101的数字/模拟转化器(DAC)的管脚连接到开关电源转换器102的反馈电压管脚上，从而控制开关电源转换器102的输出电压，进而控制热电制冷器103的制冷和制热功能。本实施例的开关电源转换器为升压降压型直流开关电源(DC/DC)转换器。在实施例的中央控制单元101的模拟/数字转化器为两通道12位精度的模拟/数字转化器，数字/模拟转化器为单通道12位精度的数字/模拟转化器。热电制冷器103 (TEC)控制系统包含3个部分:温度采集电路，TEC电流控制器和DC/DC转换器。TEC的负极直接与外部提供的输入电源(如3.3V)相连，TEC的正极连到DC/DC转换器的输出端。当DC/DC转换器的输出端的电压低于3.3V时，TEC将处于制冷模式；当DC/DC转换器的输出端的电压高于3.3V时，TEC将处于制热模式。中央控制单元101的微处理器负责对TOSA温度的检测，并根据PID (比例-积分-微分)算法来控制DC/DC转换器的输出，从而实现对TEC的方向以及电流的控制。位于光发射组件(TOSA)里的热敏电阻104，一端接地，另外一端则连接到外部封装管脚上。该信号需通过外部电路板上的IOKohm电阻上拉到参考电压(如2.5V)上。最后，该信号需连接到微处理器的ADC管脚上。当TOSA的温度发生变化时，热敏电阻104的阻值将按照相应规律发生变化，该变化则会通过电阻分压网络从而实现温度-电阻阻值-电压的变化。中央控制单元101的微处理器通过检测该电压，即可知道TOSA的温度。本实施例的DC/DC转换器需支持升压/降压，且提供反馈电压管脚，从而具有输出电压调节功能。微处理器的DAC管脚需连接到该DC/DC转换器的反馈电压管脚上。微处理器通过温度检测以及PID算法确定DAC的输出电压，使输出电压在+2.1V到+4.5V之间变化，从而实现TEC制热/制冷功 能。 本实施例的工作过程如下:1.温度采集电路检测热敏电阻104阻值，根据阻值与温度的预设关系，计算出当前温度，将温度信号转化为模拟电压信号，并将其反馈给TEC电流控制器内部ADC。2.使用内部ADC对代表温度的模拟电压信号采样，并还原出当前温度值。将当前温度值与要设定的目标温度进行对比。根据两者的相对大小关系，决定TEC电流方向。将两者差值输入PID算法计算，得到需要设定的TEC电流大小。根据需要的TEC电流方向和大小设定合适的DAC输出给DC/DC转换器。3.DC/DC转换器用于向TEC模块输出合适的电流，实现方法是:TEC模块的正极连接到固定的3.3V，当负极电压小于3.3V时制热，负极电压大于3.3V时致冷，从而改变TOSA的温度。4.热敏电阻104将新的温度信息反馈给温度采集电路。经过一段时间的上述闭环调节，TOSA温度最终将稳定在设定温度。实施例二:如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于，还包含串联电阻105和高边电流检测器106，所述串联电阻105 —端连接热电制冷器103，另一端连接开关电源转换器102的电压输出端，所述高边电流检测器106连接串联电阻105的两端，并连接到模拟/数字转化器的管脚上，将热电制冷器103的电流转换为电压并反馈给中央控制单元101。[0033]串联电阻105互连在开关电源转换器102输出以及热电制冷器(TEC)103之间，用于热电制冷器(TEC) 103的电流/电压采样。在本实施例中，所述串联电阻105的阻值为
0.01欧姆。为了避免高温情况下的热反馈问题，本实施例对TEC103的电流进行监控。由于采用的是电压源，而不是电流源，微处理器并不知道TEC103的电流，该方案还需使用一个高边电流检测器106。该检测器和一个小阻值的精密电阻，来实现电流-电压的转换。最终转换出来的电压信号需连接到微处理器的ADC管脚上。微处理器通过检测ADC的电压，即可知道TEC103的电流。一旦微处理器检测到TEC103电流超出限制，PID算法将被停止，并维持上一次的计算值。实施例三:本实施例与实施例二的区别在于，还包含比较器107。如图3所示，比较器107的输出端与开关电源转换器102的反馈信号互连在一起，而TEC103的输入电源电压和参考电压接入比较器107的输入端。比较器107用于判断电源输入电压是否有变化，并及时反馈给开关电源转换器102。由于比较器107是由硬件实现的，其处理速度非常快，一旦它检测到输入电源电压发生任何变化，其将会把变化结果立刻反应到开关电源转换器102的反馈管脚上，从而使开关电源转换器102的输出也发生相应的变化，进而维持TEC103的电压、电流保持不变。从而避免由于外部电源拉偏导致的激光器温度变化。以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保 护范围。
权利要求1.一种自动温度控制电路，其特征在于，包含中央控制单元、开关电源转换器、热电制冷器和热敏电阻，所述中央控制单元包含模拟/数字转化器和数字/模拟转化器；所述热敏电阻一端接地，另一端上拉到参考电压上并连接到中央控制单元的模拟/数字转化器的管脚上，将激光器组件的温度反馈给中央控制单元；所述中央控制单元的数字/模拟转化器的管脚连接到开关电源转换器的反馈电压管脚上，从而控制开关电源转换器的输出电压，进而控制热电制冷器的制冷和制热功能。
2.根据权利要求1所述的自动温度控制电路，其特征在于，所述开关电源转换器为升压降压型直流开关电源转换器。
3.根据权利要求1所述的自动温度控制电路，其特征在于，所述中央控制单元的模拟/数字转化器为两通道12位精度的模拟/数字转化器，所述数字/模拟转化器为单通道12位精度的数字/模拟转化器。
4.根据权利要求1所述的自动温度控制电路，其特征在于，所述中央控制单元根据比例-积分-微分算法来控制开关电源转换器的输出。
5.根据权利要求1所述的自动温度控制电路，其特征在于，还包含串联电阻和高边电流检测器，所述串联电阻一端连接热电制冷器，另一端连接开关电源转换器的电压输出端，所述高边电流检测器连接串联电阻的两端，并连接到模拟/数字转化器的管脚上，将热电制冷器的电流转换为电压并反馈给中央控制单元。
6.根据权利要求5所述的自动温度控制电路，其特征在于，所述串联电阻的阻值为0.008欧姆到0.05欧姆。
7.根据权利要求1所述的自动温度控制电路，其特征在于，还包含比较器，所述比较器的输出端与开关电源转换器的反馈信号互连在一起，比较器的输入端连接热电制冷器的输入电源电压和参考电压。
8.一种光收发模块，包含光发射组件、光接收组件、电路基板、外壳和光纤接口，其特征在于，所述电路基 板包含如权利要求1所述的自动温度控制电路。
专利摘要本实用新型公开了一种自动温度控制电路，包含中央控制单元、开关电源转换器、热电制冷器和热敏电阻。热敏电阻将激光器组件的温度反馈给中央控制单元，中央控制单元的数字/模拟转化器的管脚连接到开关电源转换器的反馈电压管脚上，从而控制开关电源转换器的输出电压，进而控制热电制冷器的制冷和制热功能。本实用新型还公开了采用上述自动温度控制电路的光收发模块。本实用新型的开关电源转换器工作于开关状态，功耗较小，转化效率较高，相比现有电路有明显的改善。另外，开关电源的体积较小，占据电路基板的空间尺寸更小，有利于模块的小型化设计，并进而对提高端口密度和减小功耗有很大的帮助。
文档编号H01S5/024GK203133636SQ20132014272
公开日2013年8月14日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者弋少云, 邹运华 申请人:深圳新飞通光电子技术有限公司