專利名稱：自動(dòng)溫度控制電路及包含其的光收發(fā)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光通信領(lǐng)域，尤其涉及一種光收發(fā)模塊的自動(dòng)溫度控制電路及包含其的光收發(fā)模塊。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著40G/100G高速光網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，對(duì)超高速率光收發(fā)模塊的需求日益增加，同時(shí)對(duì)端口密度和功耗的要求也越來(lái)越高。SFP+、CFP等光模塊在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，光器件的特性隨著溫度的升高會(huì)發(fā)生較大變化，使得光信號(hào)的功率、波長(zhǎng)等參數(shù)發(fā)生很大的變化，眼圖和誤碼率也惡化，從而導(dǎo)致信號(hào)變差，進(jìn)而影響通信性能和可靠性。為了保證通信質(zhì)量，需要保持光模塊中的發(fā)射組件的光功率、波長(zhǎng)等保持相對(duì)恒定，因而需要保持激光器的工作溫度的穩(wěn)定。尤其是對(duì)于DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing,密集波分復(fù)用)系統(tǒng)，激光器的工作波長(zhǎng)需要滿足ITU-TG.692 (國(guó)際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組的G.692協(xié)議)規(guī)定的最小通道間隔為50GHz或IOOGHz的特定波長(zhǎng)要求，因而對(duì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性提出了更高的要求。對(duì)于高速、長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓饽K，通常米用內(nèi)置有TEC (Thermoelectric cooler,熱電制冷器)的激光發(fā)射組件。傳統(tǒng)的自動(dòng)溫度控制電路和熱敏電阻相連，用于保持激光器組件內(nèi)的溫度恒定，從而保證激光器工作狀態(tài)的穩(wěn)定和輸出參數(shù)的穩(wěn)定。當(dāng)激光器組件內(nèi)由于環(huán)境溫度的影響或者激光器芯片自身發(fā)發(fā)熱而發(fā)生變化時(shí)，位于激光器組件管殼內(nèi)的熱敏電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變，從而可以通過(guò)電阻值的變化來(lái)控制具有雙向輸出的溫度控制裝置的電流大小和極性，并進(jìn)而通過(guò)熱電制冷器來(lái)達(dá)到激光器的恒定工作溫度，并維持在該工作溫度下，直到再次因?yàn)榄h(huán)境溫度變化或激光器芯片自身溫升帶來(lái)的工作溫度的變化。舉例說(shuō)明，欲使激光器工作在恒溫25°C下，當(dāng)激光器組件的封裝管殼的溫度大于25°C時(shí)，熱電制冷器加正偏置，啟動(dòng)制冷功能，促進(jìn)管殼溫度的下降；當(dāng)激光器組件的封裝管殼的溫度小于25°C時(shí)，熱電制冷器加負(fù)偏置，啟動(dòng)加熱功能，促進(jìn)管殼溫度的上升?，F(xiàn)有技術(shù)的光模塊的溫度控制裝置通常采用H橋電路，通過(guò)調(diào)節(jié)H橋而改變TEC的電流大小和方向，從而保證激光器的實(shí)際溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度。然而，采用H橋電路存在如下弊端:一是H橋的直流電阻和寄生電容，存在較高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功率損耗，導(dǎo)致效率很低；二是為了通過(guò)足夠大的電流，H橋需要選用較大尺寸的電子元件，這對(duì)電路板面積極其有限的光模塊來(lái)說(shuō)，非常不利于模塊尺寸的設(shè)計(jì)，進(jìn)而難以滿足端口密度和功耗的要求；三是H橋的價(jià)格比較昂貴，導(dǎo)致光收發(fā)模塊的成本較高。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為了克服以上的不足，提出了一種光收發(fā)模塊的自動(dòng)溫度控制電路及包含其的光收發(fā)模塊。本實(shí)用新型的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下的技術(shù)方案予以解決:一種 光收發(fā)模塊的自動(dòng)溫度控制電路，包含中央控制單元、開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器、熱電制冷器和熱敏電阻，所述中央控制單元包含模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器；所述熱敏電阻一端接地，另一端上拉到參考電壓上并連接到中央控制單元的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器的管腳上，將激光器組件的溫度反饋給中央控制單元；所述中央控制單元的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器的管腳連接到開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的反饋電壓管腳上，從而控制開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，進(jìn)而控制熱電制冷器的制冷和制熱功能。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器為升壓降壓型直流(buck/boost DC/DC)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述中央控制單元的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器為兩通道12位精度的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器，所述數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器為單通道12位精度的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述中央控制單元根據(jù)比例-積分-微分算法來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，還包含串聯(lián)電阻和高邊電流檢測(cè)器，所述串聯(lián)電阻一端連接熱電制冷器，另一端連接開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的電壓輸出端，所述高邊電流檢測(cè)器連接串聯(lián)電阻的兩端，并連接到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器的管腳上，將熱電制冷器的電流轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給中央控制單元。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述串聯(lián)電阻的阻值為0.008歐姆到0.05歐姆。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，還包含比較器，所述比較器的輸出端與開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的反饋信號(hào)互連在一起，比較器的輸入端連接熱電制冷器的輸入電源電壓和參考電
壓。 本實(shí)用新型還公開(kāi)了一種光收發(fā)模塊，包含光發(fā)射組件、光接收組件、電路基板、外殼和光纖接口，其特征在于，所述電路基板包含如上所述的自動(dòng)溫度控制電路。本實(shí)用新型采用開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，其優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)換效率高(此處的效率可以簡(jiǎn)單的看作輸入功率與輸出功率之比)。加之開(kāi)關(guān)晶體管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗較小，發(fā)熱較低。其效率和功耗相比H橋電路有明顯的改善。另外，開(kāi)關(guān)電源的體積較小，占據(jù)電路基板(PCB)的空間尺寸更小，非常有利于模塊的小型化設(shè)計(jì)，并進(jìn)而對(duì)提高端口密度和減小功耗有很大的幫助。

圖1是本實(shí)用新型的實(shí)施例一的自動(dòng)溫度控制電路的示意圖；圖2是本實(shí)用新型的實(shí)施例二的自動(dòng)溫度控制電路的示意圖；圖3是本實(shí)用新型的實(shí)施例三的自動(dòng)溫度控制電路的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)具體的實(shí)施方式并結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例一:如圖1所示，本實(shí)用新型的光收發(fā)模塊的自動(dòng)溫度控制電路，包含中央控制單元101、開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器102、熱電制冷器103和熱敏電阻104，所述中央控制單元包含模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器(ADC)和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器(DAC);所述熱敏電阻104 —端接地，另一端上拉到參考電壓上并連接到中央控制單元101的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器(ADC)的管腳上，將激光器組件的溫度反饋給中央控制單元；所述中央控制單元101的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器(DAC)的管腳連接到開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器102的反饋電壓管腳上，從而控制開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器102的輸出電壓，進(jìn)而控制熱電制冷器103的制冷和制熱功能。本實(shí)施例的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器為升壓降壓型直流開(kāi)關(guān)電源(DC/DC)轉(zhuǎn)換器。在實(shí)施例的中央控制單元101的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器為兩通道12位精度的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器為單通道12位精度的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器。熱電制冷器103 (TEC)控制系統(tǒng)包含3個(gè)部分:溫度采集電路，TEC電流控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器。TEC的負(fù)極直接與外部提供的輸入電源(如3.3V)相連，TEC的正極連到DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端。當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端的電壓低于3.3V時(shí)，TEC將處于制冷模式；當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端的電壓高于3.3V時(shí)，TEC將處于制熱模式。中央控制單元101的微處理器負(fù)責(zé)對(duì)TOSA溫度的檢測(cè)，并根據(jù)PID (比例-積分-微分)算法來(lái)控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)TEC的方向以及電流的控制。位于光發(fā)射組件(TOSA)里的熱敏電阻104，一端接地，另外一端則連接到外部封裝管腳上。該信號(hào)需通過(guò)外部電路板上的IOKohm電阻上拉到參考電壓(如2.5V)上。最后，該信號(hào)需連接到微處理器的ADC管腳上。當(dāng)TOSA的溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻104的阻值將按照相應(yīng)規(guī)律發(fā)生變化，該變化則會(huì)通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)從而實(shí)現(xiàn)溫度-電阻阻值-電壓的變化。中央控制單元101的微處理器通過(guò)檢測(cè)該電壓，即可知道TOSA的溫度。本實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器需支持升壓/降壓，且提供反饋電壓管腳，從而具有輸出電壓調(diào)節(jié)功能。微處理器的DAC管腳需連接到該DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋電壓管腳上。微處理器通過(guò)溫度檢測(cè)以及PID算法確定DAC的輸出電壓，使輸出電壓在+2.1V到+4.5V之間變化，從而實(shí)現(xiàn)TEC制熱/制冷功 能。 本實(shí)施例的工作過(guò)程如下:1.溫度采集電路檢測(cè)熱敏電阻104阻值，根據(jù)阻值與溫度的預(yù)設(shè)關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)前溫度，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，并將其反饋給TEC電流控制器內(nèi)部ADC。2.使用內(nèi)部ADC對(duì)代表溫度的模擬電壓信號(hào)采樣，并還原出當(dāng)前溫度值。將當(dāng)前溫度值與要設(shè)定的目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)兩者的相對(duì)大小關(guān)系，決定TEC電流方向。將兩者差值輸入PID算法計(jì)算，得到需要設(shè)定的TEC電流大小。根據(jù)需要的TEC電流方向和大小設(shè)定合適的DAC輸出給DC/DC轉(zhuǎn)換器。3.DC/DC轉(zhuǎn)換器用于向TEC模塊輸出合適的電流，實(shí)現(xiàn)方法是:TEC模塊的正極連接到固定的3.3V，當(dāng)負(fù)極電壓小于3.3V時(shí)制熱，負(fù)極電壓大于3.3V時(shí)致冷，從而改變TOSA的溫度。4.熱敏電阻104將新的溫度信息反饋給溫度采集電路。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的上述閉環(huán)調(diào)節(jié)，TOSA溫度最終將穩(wěn)定在設(shè)定溫度。實(shí)施例二:如圖2所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于，還包含串聯(lián)電阻105和高邊電流檢測(cè)器106，所述串聯(lián)電阻105 —端連接熱電制冷器103，另一端連接開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器102的電壓輸出端，所述高邊電流檢測(cè)器106連接串聯(lián)電阻105的兩端，并連接到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器的管腳上，將熱電制冷器103的電流轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給中央控制單元101。[0033]串聯(lián)電阻105互連在開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器102輸出以及熱電制冷器(TEC)103之間，用于熱電制冷器(TEC) 103的電流/電壓采樣。在本實(shí)施例中，所述串聯(lián)電阻105的阻值為
0.01歐姆。為了避免高溫情況下的熱反饋問(wèn)題，本實(shí)施例對(duì)TEC103的電流進(jìn)行監(jiān)控。由于采用的是電壓源，而不是電流源，微處理器并不知道TEC103的電流，該方案還需使用一個(gè)高邊電流檢測(cè)器106。該檢測(cè)器和一個(gè)小阻值的精密電阻，來(lái)實(shí)現(xiàn)電流-電壓的轉(zhuǎn)換。最終轉(zhuǎn)換出來(lái)的電壓信號(hào)需連接到微處理器的ADC管腳上。微處理器通過(guò)檢測(cè)ADC的電壓，即可知道TEC103的電流。一旦微處理器檢測(cè)到TEC103電流超出限制，PID算法將被停止，并維持上一次的計(jì)算值。實(shí)施例三:本實(shí)施例與實(shí)施例二的區(qū)別在于，還包含比較器107。如圖3所示，比較器107的輸出端與開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器102的反饋信號(hào)互連在一起，而TEC103的輸入電源電壓和參考電壓接入比較器107的輸入端。比較器107用于判斷電源輸入電壓是否有變化，并及時(shí)反饋給開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器102。由于比較器107是由硬件實(shí)現(xiàn)的，其處理速度非?？?，一旦它檢測(cè)到輸入電源電壓發(fā)生任何變化，其將會(huì)把變化結(jié)果立刻反應(yīng)到開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器102的反饋管腳上，從而使開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器102的輸出也發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而維持TEC103的電壓、電流保持不變。從而避免由于外部電源拉偏導(dǎo)致的激光器溫度變化。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保 護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種自動(dòng)溫度控制電路，其特征在于，包含中央控制單元、開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器、熱電制冷器和熱敏電阻，所述中央控制單元包含模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器；所述熱敏電阻一端接地，另一端上拉到參考電壓上并連接到中央控制單元的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器的管腳上，將激光器組件的溫度反饋給中央控制單元；所述中央控制單元的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器的管腳連接到開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的反饋電壓管腳上，從而控制開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，進(jìn)而控制熱電制冷器的制冷和制熱功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)溫度控制電路，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器為升壓降壓型直流開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)溫度控制電路，其特征在于，所述中央控制單元的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器為兩通道12位精度的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器，所述數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器為單通道12位精度的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)溫度控制電路，其特征在于，所述中央控制單元根據(jù)比例-積分-微分算法來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)溫度控制電路，其特征在于，還包含串聯(lián)電阻和高邊電流檢測(cè)器，所述串聯(lián)電阻一端連接熱電制冷器，另一端連接開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的電壓輸出端，所述高邊電流檢測(cè)器連接串聯(lián)電阻的兩端，并連接到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器的管腳上，將熱電制冷器的電流轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給中央控制單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自動(dòng)溫度控制電路，其特征在于，所述串聯(lián)電阻的阻值為0.008歐姆到0.05歐姆。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)溫度控制電路，其特征在于，還包含比較器，所述比較器的輸出端與開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的反饋信號(hào)互連在一起，比較器的輸入端連接熱電制冷器的輸入電源電壓和參考電壓。
8.一種光收發(fā)模塊，包含光發(fā)射組件、光接收組件、電路基板、外殼和光纖接口，其特征在于，所述電路基 板包含如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)溫度控制電路。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種自動(dòng)溫度控制電路，包含中央控制單元、開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器、熱電制冷器和熱敏電阻。熱敏電阻將激光器組件的溫度反饋給中央控制單元，中央控制單元的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器的管腳連接到開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的反饋電壓管腳上，從而控制開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，進(jìn)而控制熱電制冷器的制冷和制熱功能。本實(shí)用新型還公開(kāi)了采用上述自動(dòng)溫度控制電路的光收發(fā)模塊。本實(shí)用新型的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗較小，轉(zhuǎn)化效率較高，相比現(xiàn)有電路有明顯的改善。另外，開(kāi)關(guān)電源的體積較小，占據(jù)電路基板的空間尺寸更小，有利于模塊的小型化設(shè)計(jì)，并進(jìn)而對(duì)提高端口密度和減小功耗有很大的幫助。
文檔編號(hào)H01S5/024GK203133636SQ20132014272
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者弋少云, 鄒運(yùn)華 申請(qǐng)人:深圳新飛通光電子技術(shù)有限公司