CN104656706B - 一种改进型热电冷却器控制方法 - Google Patents

一种改进型热电冷却器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于光通信领域,提供了一种改进型热电冷却器控制方法,包括:温度传感器检测光发射次模块的温度值M,并将温度值M发送给MCU;MCU将接收到的温度值M和预设的目标值R进行比较,将比较结果作为PI温度控制算法的计算因子,计算的结果将由MCU传递给热电制冷器TEC,从而生成TEC正向控制电流或者TEC反向控制电流;MCU在确认所述计算的结果达到TEC所能生成控制电流的最大值时,暂停PI温度控制,并直接输出最大控制电流;当温度值M和预设的目标值R的比较结果出现反向值时,启动PI温度控制,并根据PI温度控制计算结果输出控制电流。本发明不仅有效降低极端温度下TEC控制产生的超调现象,而且能够通过减少PI温度控制计算来提高MCU的工作效率。

Description

一种改进型热电冷却器控制方法
技术领域
本发明属于光通信领域,尤其涉及一种改进型热电冷却器控制方法。
背景技术
在高速、长距离的光通信应用领域中,通常使用温度稳定性较高的电吸收调制激光器(Eroabsorption Modulated Laser,简写为:EML)。EML激光器的输出波长、电流阈值、最大输出功率和最小功率的波动都直接受工作温度的影响。因此,对于使用了电吸收调制激光器的光模块来说,温度控制的精度和可靠性尤为重要。通常采用体积小且易于控制的热电制冷器(Thermo Electric Cooler,简写为:TEC)作为制冷和加热器件,并采用高精度的负温度系数热敏电阻(Negative Temperature Coefficient,简写为:NTC)作为温度传感器,以微控制(Micro ControllerUnit,简写为:MCU)为控制核心,对EML激光器进行温度控制。传统的TEC控制多使用数字式PI控制算法,当前温度与目标温度的差值通过PI算法计算出当前需要调整的数字模拟转换器(Digital To Analog Converter,DAC)值,从而实现对激光器温度的控制。这种方法不可避免的会产生超调(如图2所示),尤其是在高温下启动光模块,TEC将激光器温度从很高的值降低到预设值或者从很低的值升高到预设值,短时间内可能会造成TEC工作电流过大而损坏光模块。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种改进型热电冷却器控制方法,以解决现有技术超调的问题。
本发明实施例是这样实现的,一种改进型热电冷却器控制方法,所述方法包括以下步骤:
温度传感器3检测光发射次模块1的温度值M,并将检测到的温度值M发送给微控制器2;微控制器2将接收到的温度值M和预设的目标值R进行比较,将比较结果作为PI温度控制算法的计算因子,计算的结果将由微控制器2传递给热电制冷器TEC4,从而生成TEC正向控制电流或者TEC反向控制电流;所述TEC正向控制电流或者TEC反向控制电流能够控制光发射次模块1进行制冷或者加热;微控制器2在确认所述计算的结果达到TEC4所能生成控制电流的最大值时,暂停PI温度控制,并直接输出最大控制电流;当温度值M和预设的目标值R的比较结果出现反向值时,启动PI温度控制,并根据PI温度控制计算结果输出控制电流。
本发明实施例提供的一种改进型热电冷却器控制方法的有益效果包括:
本发明实施例通过分析PI温度控制算法的后延特性,即无法及时的调整和纠正工作状态,还需要经过一段时间的反复调整才能矫正到目标值;以及分析TEC工作时存在有最大控制电流的限制因素。从而在需要TEC输出最大控制电流时,暂停PI温度控制算法直接控制TEC输出最大控制电流的方法,不仅有效降低极端温度下TEC控制产生的超调现象,而且能够通过减少PI温度控制计算来提高微控制器的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,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的附图。
图1是本发明实施例提供的适用于一种改进型热电冷却器控制方法的装置结构示意图;
图2是本发明实施例提供的属于现有技术的一种极端温度下TEC控制产生的超调波形示意图;
图3是本发明实施例提供的一种改进型热电冷却器控制方法流程图;
图4是本发明实施例提供的现有PI温控算法的流程;
图5是本发明实施例提供的一种改进型热电冷却器控制方法流程图;
图6是本发明实施例提供的改进后的一种极端温度下TEC控制产生温度波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案,下面通过具体实施例来进行说明。
在现有PI温度控制算法中,定义Pp为比例项,Pi为积分项,Pout为PI温度控制算法的计算结果。则有Pp=Kp*Ek,其中Kp为比例系数,通常由数学建模计算得到或者通过实验的方法取经验值。积分项是一个历史误差的累积值,通过离散方法处理转换为公式:Pi=Kp*Ek/Ki+Pik,其中Ki为积分系数,通常由数学建模计算得到或者通过实验的方法取经验值,Pik为积分累积项,为本次调节前的每一次调节的积分项值的累加和,即每次调节后都要将本次调节的积分项的值累加到Pik中(如图4中步骤22所示),用来带入下一次调节中。计算结果Pout=Pp+Pi为整个算法一次调节的计算结果,输出给执行器改变被控对象的参数(如图4中步骤24所示),例如:输出TEC控制电流,改变激光器温度。针对现有的PI温度控制算法,本实施例提供了其计算流程图,如图4所示。
从图4中可以看出,在步骤22中,Pik将会累加每次调节的积分项并带入下一次调节计算中。假设光模块在高温环境下上电,使用上述的算法就将产生如下问题:由于环境温度值M与TEC控制温度的预设值R差别较大,即Ek=M-R远大于0,在温度调节到目标值的这段时间内,输出Pout将会出现相当长的一段时间处于正向饱和阶段(TEC正向控制电流始终为最大值的这段时间),积分系数的积分累积Pik也将不断的增加,一直到当激光器温度到达目标值之后,此时Ek才开始反向(即小于0),Pik也将慢慢减弱。正向饱和阶段积分累积越大,那么积分项消除的也就越慢,体现在温度控制上的实际效果就是出现超调。类似的,在低温环境下上电,TEC反向的控制电流也会处于饱和区,使用上述算法同样会产生超调。如图所示为出现正向饱和阶段的PI调节过程中温度和电流的对应关系,ts为消除积分累积所花费的时间,可以看出会给温度调节带来很长时间的超调。
实施例一
图1所示为本发明实施例提供的适用于一种改进型热电冷却器控制方法的装置结构示意图,具体为一个EML激光器的工作电路原理图,所述装置包括发光发射次模块1(即激光器)、微控制器2、温度传感器3和热电制冷器驱动装置4,具体的:
热电制冷器TEC通常集成在光发射次模块1内部,并封装出TEC+和TEC-两个引脚,通过TEC驱动芯片4给TEC+和TEC-的回路提供电流即可控制温度,电流越大,控制效果越明显。TEC正向控制电流(即电流从TEC+流向TEC-)会产生制冷效果,反向控制电流(即电流从TEC-流向TEC+)则会产生制热效果。EML器件内部的热敏电阻通过外接运放电路构成激光器内部的温度采样电路,微控制器MCU用一路高精度ADC采样温度值,经过计算设置DAC输出电压控制TEC驱动器的输出电流,从而改变TEC电流,实现控制温度的目的,构成一个反馈回路。
结合本实施例存在一种可选的方案,其中,当所述温度值M高于所述目标值R时,则所述温度值M和预设的目标值R的比较结果出现反向值具体为:
检测到的温度值M小于或等于目标值R;当所述温度值M小于所述目标值R时,则所述温度值M和预设的目标值R的比较结果出现反向值具体为:检测到的温度值M大于或等于目标值R。
结合本实施例存在一种可选的方案,其中,所述PI温度控制算法包括比例子计算和积分子计算,并且所述PI温度控制算法的计算结果具体为比例子计算结果和积分子计算结果之和。
结合本实施例存在一种可选的方案,其中,所述比例子计算具体通过公式:
Pp=Kp*Ek计算得到,其中,Kp为比例系数,由数据建模计算获得或者根据实验方法取其经验值;Ek=M-R为温度值M和预设的目标值R的比较结果;Pp为比例子计算的计算结果。
结合本实施例存在一种可选的方案,其中,所述积分子计算具体通过公式:
Pi=Kp*Ek/Ki+Pik计算得到,其中,Ki为比例系数,由数据建模计算获得或者根据实验方法取其经验值;Ek=M-R为温度值M和预设的目标值R的比较结果;Pik为积分累积项,为本次调节前的每一次调节的积分子计算的结果的累加和;Pi为比例子计算的计算结果。
结合本实施例存在一种可选的方案,其中,所述方法还包括:
所述预设的目标值R和最大控制电流是预先存储到微控制器2中。
结合本实施例存在一种可选的方案,其中,在启动光发射次模块1之前,所述方法还包括:
分别检测光发射次模块的温度T1和激光器管芯的温度T2,如果T1为正值而T2为负值,则判定光发射次模块虚焊,停止启动光发射次模块1。
结合本实施例存在一种可选的方案,其中,在启动光发射次模块1之前,所述方法还包括:
微控制器2给所述TEC4发送测试值,TEC4根据测试值生成控制电流,并传递给光发射次模块1;检测激光器管芯的温度变化,如果所述激光器管芯没有温度变化,则停止启动光发射次模块1。
结合本实施例存在一种可选的方案,其中,在启动光发射次模块1之前,所述方法还包括:
采样TEC4供电的电源电压,如果电压处于正常值范围内,则给所述TEC4供电。
结合本实施例存在一种可选的方案,其中,所述方法还包括:
微控制器2分析当前PI温度控制算法的计算结果较上一次计算结果的变化量;如果所述变化量超过预设阈值,则按照预设阈值为单位,将一次性增加或者减少的控制电流,分成N次来完成;所述N由所述变化量和预设阈值的比值结果取得。
实施例二
如图3所示为本发明提供的一种改进型热电冷却器控制方法的流程图,所述方法可以基于图1所示的装置来实现,但本发明的方法流程并不局限于图1所示的装置,本发明方法包括以下步骤:
在步骤101中,温度传感器3检测光发射次模块1的温度值M,并将检测到的温度值M发送给微控制器2。
在步骤102中,微控制器2将接收到的温度值M和预设的目标值R进行比较。
在步骤103中,将比较结果作为PI温度控制算法的计算因子,计算的结果将由微控制器2传递给热电制冷器TEC4。
在步骤104中,热电制冷器TEC4根据所述PI温度控制算法的计算结果生成TEC正向控制电流或者TEC反向控制电流。
在步骤105中,微控制器2在确认所述计算的结果达到TEC4所能生成控制电流的最大值时,暂停PI温度控制,并直接输出最大控制电流。
在步骤106中,当温度值M和预设的目标值R的比较结果出现反向值时,启动PI温度控制,并根据PI温度控制计算结果输出控制电流。
本发明实施例通过分析PI温度控制算法的后延特性,即无法及时的调整和纠正工作状态,还需要经过一段时间的反复调整才能矫正到目标值;以及分析TEC工作时存在有最大控制电流的限制因素。从而在需要TEC输出最大控制电流时,暂停PI温度控制算法直接控制TEC输出最大控制电流的方法,不仅有效降低极端温度下TEC控制产生的超调现象,而且能够通过减少PI温度控制计算来提高微控制器的工作效率。
实施例三
本实施例重点围绕PI温度控制计算方法,来阐述如何实现本发明,在本发明各实施例采用在Pout的值达到饱和区时,不对积分项进行累积的方法来避免模块在极端温度下上电时可能产生的超调。所述不对积分项进行累积的方法在实施例二中具体实现为暂停PI温度控制。
本实施例以高温环境下上电为例来说明结合了本实施例,改进后的PI温度算法的实现方法中,假定TEC_Max为预设的控制电流Pout能够输出的最大值,也称为饱和电流值。如图5所示,具体实现为:
在TEC控制过程中,如果当前计算结果Pout还未达到饱和区,则向热电制冷器驱动装置4传递Pout,并完成Pik的累加(如图5中步骤37所示);如果当前计算结果Pout已经达到饱和区,即电流为最大控制电流TEC_MAX(即图5中在步骤34中判断结果为Y),则本次调节先计算Ek=M-R,如图5中步骤35所示:如果Ek大于0,则积分项也大于0,那么本次积分累积Pik不累加同向的积分项(积分项值依然在变大),直到Ek=M-R出现小于0的值,此时Pi=Kp*Ek/Ki+Pik中的Kp*Ek/Ki就会成为负值,因此再累积反向的积分项后,积分项值才会变小,消除积分累积的影响。即如果上次输出到达最大值,则本次积分不累积正偏差(Ek大于0时,如图5中步骤36所示,将不进行Pik的累加计算),输出在饱和区以外则正常累计积分项,其中,偏差就是指Ek=M-R,Ek大于0称之为正偏差,小于0则称之为负偏差,积分项就是对负偏差的积分累积(如图5中步骤38所示)。其中,在这里饱和区实际上就是一直处于最大值的那段时间,输出除了在饱和区就是正常区域,因此可以就说是正常区域。
如图5所示,步骤31-步骤38都在微控制器2中完成,微控制器将Pout输出给热电制冷器驱动装置4,所述热电制冷器驱动装置4利用和光发射次模块1连接的TEC环路,从而实现降温。光发射次模块1的温度变化又会通过温度传感器3检测并回馈给微处理器2,基于步骤31-39的改进PI温度控制算法,改进了现有技术中超调的问题。
使用这种算法可以有效的降低极端温度下TEC控制产生的超调。下图所示为采用改进算法后PI调节过程中控制电流与温度的对应关系。可以看出积分累积项的影响能快速消除,使的温度控制超调减小。实际应用中可以看到如图6所示,使用了这种方法,在上电时温度超调现象得到了有效的控制。
实施例四
本实施例可以和上述各实施例以组合的方式来实现,上述各实施例侧重的是在极端环境温度下,发光射次模块1(光模块激光器)工作之后如何避免超调;而本实施例则是保证在启动时,避免由于光模块激光器本身的问题造成启动后烧坏的情况发生。所述问题包括光模块激光器的管脚虚焊。
本发明中增加了光模块激光器管芯温度的检测,微处理器2在模块工作过程中将监控激光器管芯温度和模块温度两组温度参数。当激光器软带虚焊时,等效于热敏电阻阻值很大(参考前面的电路图),则激光器管芯温度的检测值为负极值。在模块上电时,首先,根据模块温度和管芯温度的比较判断激光器是否虚焊,如果常温下模块温度为正值,而激光器管芯温度为负值,则可以判定激光器虚焊。在低温状况下,由于模块温度和管芯温度同为负值,因此不适于使用上述判定方法。此时采用动态变化的方式,根据当前管芯温度,给TEC加一定的制热电流,多次检测管芯温度,计算每两次之间的差值,如果差值始终没有变化,则可以判定激光器虚焊。其次,采样TEC供电的+5V电源电压,如果电压处于正常值内(3~5.5V),则开启TEC。如果上述2个条件(管芯温度检测和判断TEC供压检测)在模块启动检测时有异常,则系统不开启TEC,不给激光器加偏置电流,保护激光器不被损毁。同时,增加TEC的缓上电功能,在模块上电或者退出低功耗模式时,首先检测管芯温度和+5V电压是否正常,如果正常,则采用分时段限流的方式缓慢增加TEC电流。
在上面的表述中可以看出,TEC在控制温度到目标值的过程中会有处于最大或最小极限值的状态。即使在不产生超调的情况下,如果实际温度与设定温度差值过大,TEC电流突变到最大值(如800mA)会对TEC电源系统有冲击。TEC部分由独立的+5V电源供电,而驱动芯片则是由模块的3.3V电源供电,并通过微处理器2控制,过大的TEC电流也会造成测试板整体供电的冲击。本发明在TEC启动时,先将TEC的最大和最小电流限定在一个小的范围内,加电一段时间后,放宽一定限定范围,再加电一段时间后,放宽到TEC正常工作的限定范围,根据实际的电流浪涌情况,可以增加多步的限定范围,从而降低TEC启动加电对模块电源的冲击。
这个部分主要是对硬件部分进行检测,判断激光器焊接到模块电路板上是否有虚焊。模块在上电时首先会进行这一步判断,判断硬件不存在问题后,再开启TEC电路,进入PI温度调节。
而前一部分软件算法的改进主要是在算法上避免高温或者低温上电时超调,因为在正常调节到目标值后是不存在超调现象的,这一现象只会出现在上电开始调节的时候。整个专利其实是对使用EML器件的模块在上电时的一个优化和改进,都是为了防止在模块上电时由于硬件连接或者算法的缺陷造成对激光器的损坏。
前面关于PI调节算法的部分可以看成每个温度点的调节方法,这里阐述的是模块的上电方式,可以理解成这里每一级上电时都用PI算法调节了很多次,这里分级的方式确实会影响温度调控的灵敏度,减缓了TEC控制的速度。但是,这里分级不是因为过调,而是防止TEC电流突然太大会出对电源造成冲击,甚至烧毁TEC。因为在极端温度下启动模块,即使没有超调,也会需要很大电流来降温或者升温。
本领域普通技术人员还可以理解,实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中,所述的存储介质,包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种改进型热电冷却器控制方法,其特征在于,所述方法包括:
温度传感器(3)检测光发射次模块(1)的温度值M,并将检测到的温度值M发送给微控制器(2);
微控制器(2)将接收到的温度值M和预设的目标值R进行比较,将比较结果作为比例-积分PI温度控制算法的计算因子,计算的结果将由微控制器(2)传递给热电制冷器TEC驱动(4),从而生成TEC正向控制电流或者TEC反向控制电流;所述TEC正向控制电流或者TEC反向控制电流能够控制光发射次模块(1)进行制冷或者加热;
微控制器(2)在确认所述计算的结果达到TEC驱动(4)所能生成控制电流的最大值时,暂停PI温度控制,并直接输出;当温度值M和预设的目标值R的比较结果出现反向值时,启动PI温度控制,并根据PI温度控制计算结果输出控制电流;
在启动光发射次模块(1)之前,所述方法还包括:
分别检测光发射次模块的温度T1和激光器管芯的温度T2,如果T1为正值而T2为负值,则判定光发射次模块虚焊,停止启动光发射次模块(1)。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,
当所述温度值M高于所述目标值R时,则所述温度值M和预设的目标值R的比较结果出现反向值具体为:
检测到的温度值M小于或等于目标值R;
当所述温度值M小于所述目标值R时,则所述温度值M和预设的目标值R的比较结果出现反向值具体为:
检测到的温度值M大于或等于目标值R。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述PI温度控制算法包括比例子计算和积分子计算,并且所述PI温度控制算法的计算结果具体为比例子计算结果和积分子计算结果之和。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述比例子计算具体通过公式:
Pp=Kp*Ek计算得到,其中,Kp为比例系数,由数据建模计算获得或者根据实验方法取其经验值;Ek=M-R为温度值M和预设的目标值R的比较结果;Pp为比例子计算的计算结果。
5.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述积分子计算具体通过公式:
Pi=Kp*Ek/Ki+Pik计算得到,其中,Ki为比例系数,由数据建模计算获得或者根据实验方法取其经验值;Ek=M-R为温度值M和预设的目标值R的比较结果;Pik为积分累积项,为本次调节前的每一次调节的积分子计算的结果的累加和;Pi为比例子计算的计算结果。
6.如权利要求1、2、4或5任一所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
所述预设的目标值R和最大控制电流是预先存储到微控制器(2)中。
7.如权利要求1、2、4或5任一所述的方法,其特征在于,在启动光发射次模块(1)之前,所述方法还包括:
微控制器(2)给所述TEC(4)发送测试值,TEC(4)根据测试值生成控制电流,并传递给光发射次模块(1);
检测激光器管芯的温度变化,如果所述激光器管芯没有温度变化,则停止启动光发射次模块(1)。
8.如权利要求1、2、4或5任一所述的方法,其特征在于,在启动光发射次模块(1)之前,所述方法还包括:
采样TEC(4)供电的电源电压,如果电压处于正常值范围内,则给所述TEC(4)供电。
9.如权利要求1、2、4或5任一所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
微控制器(2)分析当前PI温度控制算法的计算结果较上一次计算结果的变化量;
如果所述变化量超过预设阈值,则按照预设阈值为单位,将一次性增加或者减少的控制电流,分成N次来完成;所述N由所述变化量和预设阈值的比值结果取得。
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