CN102447216B - 组件温度控制 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及组件温度控制。具体地，公开了一种包括设置在壳体内的芯片的电子设备。一热电冷却器热连接到该芯片和壳体，并且被配置成将热量从该芯片传递到壳体。提供一温度测量装置以确定该芯片的温度。控制系统被配置成通过响应于该测量的温度来控制供给到该热电冷却器的电流而将该芯片保持在目标温度。温度选择系统被配置成基于该壳体温度动态选择该芯片的目标温度。

Description

组件温度控制
技术领域
本发明涉及组件的温度控制。特别地但不是排他地，本发明涉及控制温度以优化光电元件的散热性。背景技术
近年来，由于环境和成本的原因，对于具有低功耗和低散热的光学元件模块的关注日益增加。这种模块的一个应用是在掺铒光纤放大器(EDFA)设计中，其中泵浦模块是对于功耗和散热贡献最大的因素之一。
通常使用热电冷却器(TEC)来消除这种模块的热量。TEC是一种固态有源热泵设备，其通过消耗电能以使用Peltier效应将热量与温度梯度相反地(从冷到热)从该设备的一侧传递到另一侧。该泵将热量从较冷一侧移走的有效性取决于所提供的电流以及从较热一侧移除热量的效果。该热传递还取决于较热一侧与较冷一侧之间的温度差(ΔT)。当ΔT较大时，必须提供更大的电流以提供有效冷却。
在例如用于EDFA设计的那些光学模块的情况下，热量通常从一个设有芯片的载体传递到包含有该模块的壳体或封装中。该壳体在使用中的温度通常高于该芯片的温度，因此需要TEC来改善热传递。该TEC的电流通常由一个反馈回路控制以便将该芯片保持在预期的目标温度。为了优化TEC的功耗，希望防止该壳体温度与载体上的芯片(CoC)温度之间的温度差ΔT变得太大。
实现TEC低功耗的一种方式是将目标CoC温度设定为较高值(例如40℃)。这样确保了即使对于较高的壳体温度，ΔT也将较小，从而即使在这种较高的壳体温度下该设计也能实现低功耗和散热。这种方法的缺点是会显著增加芯片故障率(FIT率)，芯片故障率取决于芯片温度。例如，40℃时的FIT率是25℃时的两倍。
解决这一问题的一种方式是，在封装的壳体温度非常高时，使用一个算法来调节目标CoC温度。在US7512162中描述了实现这种方法的一种方式。然而，这难以设计和实施。
因此，希望在不需要复杂设计的情况下，实现更低的TEC功耗并且对FIT率的影响最小。发明内容
本发明的一个目的是解决或至少缓解上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种包括电子设备和热沉的电子组件。一热泵热连接到该设备和热沉，并且被配置成将热量从该设备传递到该热沉。一第一温度响应电气元件热耦合到该设备，一第二温度响应电气元件耦合到该热沉。该第一元件具有随温度在第一方向上变化的特性，第二元件具有与之相同但随温度在相反方向上变化的特性。一控制系统被配置成监视该组合的第一和第二电气元件的组合特性，并且通过控制供给到该热泵的电流而将该组合特性保持为基本恒定的值，从而使得该设备的温度响应于热沉的温度而动态变化。
在温度低于一阈值温度(例如25℃)时，第二电气元件的特性可以是基本恒定的，从而使得在热沉温度低于该阈值温度时，控制系统操作来将该设备保持在基本恒定的目标温度。在温度高于该阈值温度时，第二电气元件的特性可以随温度变化，从而使得在热沉温度高于该阈值温度时，该控制系统操作来根据热沉温度增加该设备的目标温度。这样就使得在“正常”环境温度下，该设备的温度基本保持恒定，而在较高的温度下，使得该设备的温度以可控方式向上浮动，从而不会导致用于热管理的功耗失控。
该热沉可以处于该组件周围环境的环境温度下，并且可以热连接到该组件的壳体或与其集成。该热泵可以是热电冷却器。
该电气元件可以是热敏电阻(Thermistors)，该两个元件组合的组合特性可以是串联连接的两个热敏电阻的总电阻。该热敏电阻中的一个可以是负温度系数(NTC)热敏电阻，另一个是正温度系数(PTC)热敏电阻。在一个实施例中，该NTC热敏电阻热连接到该设备，该PTC热敏电阻热连接到该热沉。该热敏电阻的总阻抗可以被保持在大约10kΩ。
该设备可以包括芯片，其可以被设置在载体上，并且可以通过监视和控制该载体的温度来监视和控制该芯片的温度。
该组件可以构成光电装置例如EDFA的一部分。该芯片可以包括激光二极管。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制电子设备的温度的方法。向热泵供给电流以将热量从该设备传递到热沉。监视两个温度响应电气元件的组合特性。该电气元件中的一个热耦合到该设备，另一个热耦合到热沉。该电气元件串联连接，并且其特性随温度在相反方向上变化。通过控制供给到该热电冷却器的电流来将该组合特性保持在基本恒定的值。因此，该设备的温度将会根据该热沉的温度而动态变化。
因此，本发明至少在优选实施例中，能够在该设备温度与热沉温度之间建立直接关系。该关系对于将该设备保持在给定温度所需的冷却功率具有显著影响。附图说明
现在将通过仅仅示例的方式并参照附图来描述本发明的一些优选实施例，其中：
图1是一光电设备的示意图；
图2示出了串联的NTC热敏电阻和PTC热敏电阻的总阻抗；
图3是示出了一示例性PTC热敏电阻的阻抗与温度之间的关系的曲线图；
图4示出了载体温度与壳体温度之间的活动(active)关系；
图5示出了当壳体温度变化时，PTC阻抗、NTC阻抗、总阻抗和载体温度的状态。具体实施方式
图1是电子组件10的示意图。组件10包括安装在载体12上的电子设备例如芯片11，该载体12被设置在壳体13中或具有壳体13。该芯片例如可以是激光二极管，但是还可以是其他类型的芯片。在一个优选实施例中，该组件10是光电组件10，芯片是激光二极管11，于是该激光二极管可以连接到输出光纤(未示出)。热泵14连接到载体12，并且连接到设置在壳体13上或与壳体13集成的热沉，从而将热量从(相对较冷的)载体12传递到(相对较热的)壳体或热沉13。该热泵14优选为热电冷却器(TEC)或Peltier效应冷却器，但是也可以是通过使用电能或其他能量以便于热传递地、将热量与温度梯度相反地(从冷向热或者反之)从设备一侧传递到另一侧的任何设备。
第一温度响应电气元件15具有随温度在第一方向上变化的特性，其被热耦合在载体12上。在该预定的实施例中，该第一温度响应电气元件是负温度系数(NTC)热敏电阻，其具有随温度反向变化的阻抗。该NTC热敏电阻15的阻抗可以被测量，并且该测量的阻抗值用于监视载体12的温度。一反馈回路(未示出)控制供给到TEC14的电流以确保将该NTC热敏电阻15的阻抗保持在目标值，从而将该载体上的芯片(CoC)11保持在所选择的目标温度。
为了提供动态温度控制，第二温度响应电子元件16具有随温度在第二方向上变化的特性，其被热粘合到该壳体或热沉13上并且串联连接到安装在载体12上的该第一温度响应电子元件15。在该预定的实施例中，该第二温度响应电气元件是正温度系数(PTC)热敏电阻，其具有随温度正向变化的阻抗。该PTC热敏电阻16的阻抗可以被测量。于是可以测量总的热敏电阻阻抗17(即该NTC和PTC热敏电阻15、16的总阻抗)，如图2所示。
在本发明的其他实施例中，该第一和第二温度响应电气元件15、16还可以是阻抗温度检测器(RTD)或具有随温度变化的可测量特性的其他任何设备。并且，载体12不是本发明必需的。在本发明的一些实施例中，该第一温度响应电气元件15和热泵14可以与电子设备11直接连接。该热沉可以是该壳体13的一个集成部分，或者可以是与该壳体独立的部件。当该热沉是壳体13的一个集成部分时，热泵14和第二温度响应电气元件16直接连接到壳体13。在该热沉与壳体独立的其他实施例中，热泵14和第二温度响应电气元件16直接连接到该热沉。
该控制系统被配置成监视该组合的第一和第二温度响应电气元件15、16的组合特性17，并且通过控制供给到该热泵14的能量而将该组合特性17保持在一基本恒定的值，从而使得该设备11的温度响应于该壳体或热沉13的温度而动态变化。该控制系统可以是分立部件的简单电子电路，或者可以是集成电路或本领域技术人员已知的用于实现所述控制系统的其他这种设备。
在该优选实施例中，控制系统用于监视热敏电阻总阻抗17的值和控制提供到热泵14的能量以保持恒定的总阻抗17。该恒定的总阻抗17可以是技术人员选择的适于所使用类型组件的任何值，但是在一个优选实施例中，可以是例如10kΩ。如果例如该载体温度较低(例如为大约摄氏25度(℃)或其以下)，则该NTC热敏电阻15的阻抗较高，并且主导总阻抗。当壳体温度增加时，该PTC热敏电阻16的阻抗增加。为了保持总阻抗17恒定在例如10kΩ，必须减小NTC热敏电阻15的阻抗以补偿PTC热敏电阻阻抗的升高。因此该NTC热敏电阻15的阻抗目标值被减小，使得通过该反馈回路获得更高的目标载体温度。更高的载体温度导致该CoC温度与壳体温度之间的ΔT减小，这就减少了冷却载体12上的芯片11所需的功率。
图3示出了在设计成将总阻抗17保持在10kΩ的系统中PTC热敏电阻16的阻抗和温度之间的适当关系31，并且当温度升高到25℃以上时开始具有效果。将会注意到，该PTC阻抗在25℃以下较低且恒定，并且在较低的壳体温度(小于大约40℃)时阻抗增加较小。
因而当壳体温度从25℃增加时，该PTC热敏电阻16的阻抗31的初始增加非常小。因此，NTC热敏电阻15的阻抗不需要被显著减小以保持总阻抗17恒定，并且对CoC温度的影响较小。当壳体温度在大约40℃以上时，PTC热敏电阻16的阻抗31有了较大增长，这就必然导致NTC热敏电阻15的阻抗的相应减小。
该系统使得在设备11或载体12的温度与壳体13的温度之间形成动态链接。使用具有如图3所示特性的PTC热敏电阻16的系统使得载体温度与壳体温度之间形成直接关系41，如图4所示。
图5示出了PTC阻抗51、NTC阻抗52、总阻抗53和载体温度54各自如何根据上述系统的壳体温度而变化。
该CoC目标温度和壳体温度之间的动态链接防止了当壳体温度升高时CoC温度与壳体温度之间的ΔT变得太大。这就相应地限制了TEC所需的功率。然而，该芯片温度不需要被不必要地保持在较高温度。
实现设备11温度与壳体13温度(通常为该组件所属的模块的环境温度)之间的这种活动关系对于所需的冷却功率有显著影响。根据模块环境温度调节该设备11的温度使得该冷却功率显著减少。例如，当该壳体温度升高到70℃时，将设备11或设备载体12温度从25℃增加到40℃将使得该冷却功率减半。另一个优点是只需要在环境温度达到其最高值的时间段期间，将该设备11温度保持在更高的温度。因此在其余的时间段可以降低该设备11的温度。这就减少了设备11的计次故障(FIT，Failures-in-time)率(即在设备工作时间的每X小时内可以预期的故障次数)。
将会理解，上述实施例的变体仍然落在本发明的范围内。例如，可以改变所设定的10kΩ的总阻抗。此外，PTC热敏电阻16被显示为热粘合到壳体13的底部，但是可以认识到，可以使用所处地点处温度与该壳体温度链接的任何位置。另外，虽然该系统被描述为具有耦合到载体的NTC热敏电阻和耦合到壳体的PTC热敏电阻，但是也可以颠倒该热敏电阻的配置。事实上，本发明可以利用任何具有相反温度变化特性的元件对例如阻抗温度检测器(RTD)对来实施。

Claims (15)

1.一种电子组件，包括：
电子设备；
热沉；
热泵，热连接到电子设备和热沉，并且被配置成将热量从电子设备传递到热沉；
第一温度响应电气元件，热耦合到电子设备，该第一电气元件具有随温度在第一方向变化的特性；
第二温度响应电气元件，热耦合到热沉，该第二电气元件具有与第一电气元件相同、但随温度在与第一方向相反的第二方向上变化的特性；以及
控制系统，被配置成监视组合的第一和第二电气元件的组合特性，并且通过控制热泵而将该组合特性保持为基本恒定的值，从而使得电子设备的温度响应于热沉的温度而动态变化，
其中在温度低于阈值温度时，第二电气元件的特性是基本恒定的，从而使得在热沉温度低于该阈值温度时，控制系统操作来将电子设备保持在基本恒定的目标温度，以及
其中在温度高于该阈值温度时，第二电气元件的特性随温度变化，从而使得在热沉温度高于该阈值温度时，控制系统操作来根据热沉温度增加电子设备的目标温度。
2.如权利要求1所述的组件，其中阈值温度是大约25℃。
3.如权利要求1所述的组件，其中热沉处于组件周围环境的环境温度下。
4.如权利要求1所述的组件，其中电子设备设置在壳体中，热沉热连接到该壳体或与该壳体集成。
5.如权利要求1所述的组件，其中热泵是热电冷却器。
6.如权利要求1所述的组件，其中电气元件是热敏电阻，该两个元件组合的组合特性是串联连接的两个热敏电阻的总电阻。
7.如权利要求6所述的组件，其中电气元件中的一个是NTC热敏电阻，另一个是PTC热敏电阻。
8.如权利要求7所述的组件，其中NTC热敏电阻热连接到电子设备，PTC热敏电阻热连接到热沉。
9.如权利要求7所述的组件，被配置成将热敏电阻的总阻抗保持在大约10kΩ。
10.如前述任何一个权利要求所述的组件，其中电子设备包括芯片。
11.如权利要求10所述的组件，其中芯片被安装在载体上，并且通过监视和控制载体的温度来监视和控制芯片的温度。
12.一种光电装置，包括如权利要求10所述的组件。
13.如权利要求12所述的光电装置，其中芯片包括激光二极管。
14.如权利要求12所述的光电装置，其中该光电装置是掺铒光纤放大器。
15.一种控制电子设备的温度的方法，包括：
向热泵供给电流以将热量从电子设备传递到热沉；
监视热耦合到电子设备的第一温度响应电气元件和热耦合到热沉的第二温度响应电气元件的组合特性，第一和第二电气元件串联连接，并且第一和第二电器元件的特性随温度在相反方向上变化；和
通过控制供给到热电冷却器的电流来将组合特性保持在基本恒定的值，
其中在温度低于阈值温度时，第二电气元件的特性是基本恒定的，从而使得在热沉温度低于该阈值温度时，将电子设备保持在基本恒定的目标温度，以及
其中在温度高于该阈值温度时，第二电气元件的特性随温度变化，从而使得在热沉温度高于该阈值温度时，根据热沉温度增加电子设备的目标温度。
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