CN114063679A - 一种tec控制电路及其控制方法、温控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种TEC控制电路，包括温度监测模块、输出控制模块、电流换向模块和TEC模块，所述温度监测模块用于监测光发射器的温度并将光发射器的温度信息传递至所述输出控制模块，所述输出控制模块用于根据所述温度监测模块传递的光发射器的温度信息控制输出电流的大小，所述输出控制模块用于控制所述电流换向模块的换向以转换通过所述TEC模块电流的方向。对于工作电压的瞬变不会受到任何影响，电流的增加或减少由输出控制模块控制，对于模块的电流浪涌非常友好，模块的稳定性得到保证。本发明的TEC控制电路的控制方法，实现对TEC电路的最佳控制，保证了TEC模块的稳定性。本发明的温控装置，应用上述的TEC控制电路，使得TEC温控装置的成本低，效率高。

Description

一种TEC控制电路及其控制方法、温控装置

技术领域

本发明涉及温控技术领域，尤其涉及一种TEC控制电路及其控制方法、温控装置。

背景技术

目前关于TEC控制电路大约有两种方式，一种是专用的TEC控制芯片，成本高，专业性强，虽然目前国产替代品已经出现，但成本这一块对于某些低速产品来说仍是不可忽视的；另一种是采用DC－DC电路的形式，其选择的DC－DC芯片具有BOOST与BUCK两种功能，根据LD的温度来自动决定其工作的模式，这种芯片比较不通用，型号少，需要对工作电压的拉偏进行额外的处理，不然会出现瞬间的温度失稳问题，导致LD的波长飘移，其成本虽稍低但却不易找到替代品。

目前关于光模块内的TEC电路，普遍来说，小型化，结构简单是趋势，特别是在100G以上光模块，由于光模块的电路越来越复杂，四通道或八通道收发电路，另TOSA与ROSA内部都需要恒温工作，TOSA内为LD的恒温控制，ROSA内为SOA的恒温控制，使得光模块的内部空间非常紧张，且散热也是一个大问题，所以对于TEC控制电路来说，高效率也是非常重要的考虑因素。

在现有技术中，往往由于芯片的造型供应链问题，不得不考虑更多的替代方案，专用芯片的成本高达几个美金，让一些成本要求极其严格的产品望而却步；采用DC-DC芯片方案的技术路线，在实际应用中软件的工作量比较大，主要是体现于PID算法及各种场景的启动浪涌问题，所以现有技术还有待改进。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种TEC控制电路及其控制方法、温控装置。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种TEC控制电路，包括温度监测模块、输出控制模块、电流换向模块和TEC模块，所述温度监测模块用于监测光发射器的温度并将光发射器的温度信息传递至所述输出控制模块，所述输出控制模块用于根据所述温度监测模块传递的光发射器的温度信息控制输出电流的大小，并且所述输出控制模块用于控制所述电流换向模块的换向以转换通过所述TEC模块电流的方向。

进一步地，当所述温度监测模块检测的温度值低于预设温度值时，所述输出控制模块控制输出电流增大，所述TEC模块制热；当所述温度监测模块检测的温度值等于预设温度值时，所述输出控制模块控制输出电流不变；当所述温度监测模块检测的温度值高于预设温度值时，所述输出控制模块控制所述电流换向模块换向，所述TEC模块制冷。

进一步地，所述输出控制模块包括单片机和BUCK电路，所述BUCK电路的输入端与所述单片机的数模转换接口连接，所述BUCK电路的输出端与所述电流换向模块的输入端连接。

进一步地，所述电流转换模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管和第一电阻，所述第一PMOS管的漏极、所述第二PMOS管的漏极均与所述BUCK电路的输出端连接，所述第一PMOS管的源极与所述第一NMOS管的漏极连接，所述第二PMOS管的源极与所述第二NMOS管的漏极连接，所述TEC模块的第一端与所述第一PMOS管的源极连接，所述TEC模块的第二端与所述第二PMOS管的源极连接，所述第一NMOS管的源极、所述第二NMOS管的源极均与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端接地。

进一步地，所述温度监测模块包括用作热敏电阻的第二电阻和用于分压的第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述单片机的第一模数转换接口连接，所述第三电阻的第二端外接参考电压，所述第三电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端接地，所述单片机的第二模数转换接口与所述第一电阻的第一端连接。

进一步地，所述第一PMOS管的栅极、所述第一NMOS管的栅极均与所述单片机的第一引脚连接，所述第二PMOS管的栅极、所述第二NMOS管的栅极均与所述单片机的第二引脚连接。

进一步地，所述电流转换模块还包括反相器，所述反相器的第一端与所述单片机的第三引脚连接，所述反相器的第一端与所述第一PMOS管的栅极、所述第一NMOS管的栅极连接，所述反相器的第二端与所述第二PMOS管的栅极、所述第二NMOS管的栅极连接。

本发明还提出一种温控装置，应用上述的TEC控制电路。

本发明还提出一种TEC控制电路的控制方法，所述TEC控制电路包括温度监测模块、输出控制模块、电流换向模块和TEC模块；

S100、所述温度监测模块监测光发射器的温度向所述输出控制模块发送温度信息；

S110、所述输出控制模块接收所述温度信息，根据温度信息改变通过所述TEC模块电流的大小，并通过所述温度信息控制所述电流换向模块进行换向；

S120、根据电流的换向，所述TEC模块在制热模式与制冷模式之间切换；根据电流的大小的改变，所述TEC模块的制冷量或制热量增加或减小。

本发明的有益效果：本发明通过温度监测模块检测光发射器内部的温度，通过输出控制模块控制输出的电流大小，并控制电流换向模块使得电流方向改变，从而可以实现TEC模块高效的工作。通过输出控制模块的控制即可以实现流过TEC模块的直流电流的调节，方向切换，电流值监测及闭环工作。本发明对于工作电压的瞬变不会受到任何影响，且电流的增加或减少由输出控制模块控制，因此不存在PID算法中的电流过冲过问题，因此对于模块的电流浪涌非常友好，模块的稳定性可以得到保证。

附图说明

图1为本发明的简单高效的TEC控制电路原理示意图；

图2为本发明的简单高效的TEC控制电路第一实施例的示意图；

图3为本发明的简单高效的TEC控制电路第二实施例的示意图；

图4为PWM工作模式的BUCK电路的TEC模块驱动电流工作时序图；

图5为本发明的TEC控制电路的控制方法原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。

请参考图1-4，一种TEC控制电路，包括温度监测模块1、输出控制模块2、电流换向模块3和TEC模块Q5，温度监测模块1用于监测光发射器的温度并将光发射器的温度信息传递至所述输出控制模块2，显然，温度监测模块设置于光发射器的内部，从而可以准确的测量光发射器的温度信息。

温度监测模块1与TEC模块Q5连接，输出控制模块2与温度监测模块1、电流换向模块3连接，TEC模块Q5与电流换向模块3连接。

输出控制模块2用于根据所述温度监测模块1传递的光发射器的温度信息控制输出电流的大小，并且所述输出控制模块2用于控制所述电流换向模块3的换向,以转换通过所述TEC模块Q5电流的方向，从而使得TEC模块Q5制冷或者制热，从而维持光发射器内部的温度恒定。

本发明通过温度监测模块1检测光发射器内部的温度，通过输出控制模块2控制输出的电流大小，并控制电流换向模块3使得电流方向改变，从而可以实现TEC模块Q5高效的工作。通过输出控制模块2的控制即可以实现流过TEC模块Q5的直流电流的调节，方向切换，电流值监测及闭环工作。本发明对于工作电压的瞬变不会受到任何影响，且电流的增加或减少由输出控制模块2控制，因此不存在PID算法中的电流过冲过问题，因此对于模块的电流浪涌非常友好，模块的稳定性可以得到保证。

进一步地，本发明的具体调节原理为：当温度监测模块1检测的温度值低于预设温度值时，输出控制模块2控制输出电流增大，TEC模块Q5制热；当温度监测模块1检测的温度值等于预设温度值时，输出控制模块2控制输出电流不变；当温度监测模块1检测的温度值高于预设温度值时，输出控制模块2控制电流换向模块3换向，TEC模块Q5制冷。

输出控制模块2包括单片机U2和BUCK电路U1，BUCK电路U1的输入端与单片机U2的数模转换接口DAC连接，BUCK电路U1的输出端与电流换向模块3的输入端连接。设置一个小型化高效率的DC－DC BUCK电路U1可以根据TEC模块Q5需要的工作电流进行可调节的降压输出，从而可以实现高效的工作。相较于目前成熟的方法，无论是PWM工作模式的专用芯片或DC－DC芯片的BOOST和BUCK工作模式，本发明中所提及的方法对于芯片的造型要求不高，原理简单，成本低，可以实现电流平稳增加或减小，不会出现上电时电流过冲问题，也不会出现工作电瞬变时，工作温度不稳问题，影响模块的工作稳定性。

电流转换模块包括第一PMOS管Q1、第二PMOS管Q2、第一NMOS管Q3、第二NMOS管Q4和第一电阻R1，第一PMOS管Q1的漏极、第二PMOS管Q2的漏极均与BUCK电路U1的输出端连接，第一PMOS管Q1的源极与第一NMOS管Q3的漏极连接，第二PMOS管Q2的源极与第二NMOS管Q4的漏极连接，TEC模块Q5的第一端与第一PMOS管Q1的源极连接，TEC模块Q5的第二端与第二PMOS管Q2的源极连接，第一NMOS管Q3的源极、第二NMOS管Q4的源极均与第一电阻R1的第一端连接，第一电阻R1的第二端接地。

温度监测模块1包括用作热敏电阻的第二电阻R2和用于分压的第三电阻R3，所述第三电阻R3的第一端与所述单片机U2的第一模数转换接口ADC_1连接，所述第三电阻R3的第二端外接参考电压VREF，所述第三电阻R3的第二端与所述第二电阻R2的第一端连接，所述第二电阻R2的第二端接地，所述单片机的第二模数转换接口ADC_2与所述第一电阻R1的第一端连接。

在本发明的一些实施例中，第一PMOS管Q1的栅极、第一NMOS管Q3的栅极均与单片机U2的第一引脚I/O_1连接，第二PMOS管Q2的栅极、第二NMOS管Q4的栅极均与单片机U2的第二引脚I/O_2连接。

通过使第一引脚I/O_1输出低电平和第二引脚输出高电平，使得第一PMOS管Q1与第二NMOS管Q4处于导通状态，电流从BUCK电路U1流出，经过第一PMOS管Q1-TEC模块Q5-第二NMOS管Q4-第一电阻R1,使TEC模块Q5增加致冷，降低光发射器的温度，第二电阻R2增大，当光发射器温度不变，即第二电阻R2达到最大目标值时，则BUCK电路U1的输出电流保持不变；工作过程中，当光发射器温度再次上升，则增大BUCK电路U1的输出电流，增加TEC模块Q5致冷，降低光发射器温度；若光发射器温度下降，则BUCK电路U1的输出电流，减少TEC模块Q5致冷，升高光发射器温度；当TEC的驱动电流降为0时，光发射器温度仍未升高到目标值则此时反向设置，是第一引脚输出高电平和第二引脚输出低电平，使第二PMOS管Q2与第一NMOS管Q3打开，造成TEC模块Q5的驱动电流反向开始致热，并根据第二电阻R2的阻值监测值，单片机U2调节BUCK电路U1输出电流决定致热增加量，也就是决定电流的大小。

当TEC模块Q5处于加热工作模式时，当第二电阻R2的监测阻值大于目标值，说明此时的光发射器的温度低于目标设定值，使第二PMOS管Q2与第一NMOS管Q3打开，使电流由BUCK电路U1流出，经过第二PMOS管Q2－TEC模块Q5－第一NMOS管Q3－第一电阻R1，使TEC模块Q5增加致热，升高光发射器温度，第二电阻R2阻值减小，再当光发射器温度减小，即第二电阻R2的阻值达到最小目标值时，BUCK电路U1输出电流不再增大，保持不变；工作过程中，当光发射器温度再次下降，则增大BUCK电路U1输出电流，增加TEC模块Q5致热，升高光发射器温度；若光发射器温度升高，则减少BUCK电路U1输出电流，减少TEC模块Q5致热，降低光发射器温度；当TEC模块Q5的驱动电流降为0时，光发射器温度仍未降低到目标值则此时再次反向设置第一引脚和第二引脚的高低电平，使第一PMOS管Q1与第二NMOS管Q4处于导通状态，造成TEC模块Q5由于电流的反向开始致冷，并根据第二电阻R2的阻值的监测调节BUCK电路U1输出电流决定致冷增加量。

单片机U2的数模转换接口DAC用于控制BUCK电路U1的输出电压；而第一电阻R1上电流值由另一路模数转换接口进行监测，当第一电阻R1上的电流值超过设置上限时，则停止增加TEC模块Q5的驱动电流。

如图4所示，LD温度LD_T高于目标值，则第一引脚I/O_1置低，而第二引脚I/O_2置高，电流ITEC由经由Q1-TEC-Q4-R1流过，在LD_T未达到目标值前，电流ITEC处于增加状态，当LD_T达到目标值时，则电流ITEC不再增加；当LD温度由于外界原因突然降低很多时，则电流ITEC开始减小，减弱制冷，当电流ITEC减到0时，而LD_T仍低于目标值，则第一引脚I/O_1置高，而第二引脚I/O_2置低，电流ITEC由Q2-TEC-Q3-R1流过，开始制热，在LD_T未达到目标值前，电流ITEC处于增加状态，当LD_T达到目标值时，则电流ITEC不再增加。

在本发明的一些实施例中，电流转换模块还包括反相器U3，反相器的第一端与所述单片机U2的第三引脚I/O连接，所述反相器的第一端与所述第一PMOS管Q1的栅极、所述第一NMOS管Q3的栅极连接，所述反相器的第二端与所述第二PMOS管Q2的栅极、所述第二NMOS管Q4的栅极连接，通过反相器的设置，使得电路结构大大简化，只通过一个引脚便可控制电路切换模块的通断。

本发明还提出一种温控装置，应用上述的TEC控制电路，使得TEC温控装置的成本低，效率高。

请参照图5，本发明还提出一种TEC控制电路的控制方法，所述TEC控制电路包括温度监测模块、输出控制模块、电流换向模块和TEC模块；

S100、所述温度监测模块监测光发射器的温度向所述输出控制模块发送温度信息；

S110、所述输出控制模块接收所述温度信息，根据温度信息改变通过所述TEC模块电流的大小，并通过所述温度信息控制所述电流换向模块进行换向；

S120、根据电流的换向，所述TEC模块在制热模式与制冷模式之间切换；根据电流的大小的改变，所述TEC模块的制冷量或制热量增加或减小。

本发明的TEC控制电路的控制方法通过温度监测模块1检测光发射器内部的温度，通过输出控制模块2控制输出的电流大小，并控制电流换向模块3使得电流方向改变，从而可以实现TEC模块Q5高效的工作。通过输出控制模块2的控制即可以实现流过TEC模块Q5的直流电流的调节，方向切换，电流值监测及闭环工作。本发明对于工作电压的瞬变不会受到任何影响，且电流的增加或减少由输出控制模块2控制，因此不存在PID算法中的电流过冲过问题，因此对于模块的电流浪涌非常友好，模块的稳定性可以得到保证。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.一种TEC控制电路，其特征在于，包括温度监测模块、输出控制模块、电流换向模块和TEC模块，所述温度监测模块用于监测光发射器的温度并将光发射器的温度信息传递至所述输出控制模块，所述输出控制模块用于根据所述温度监测模块传递的光发射器的温度信息控制输出电流的大小，并且所述输出控制模块用于控制所述电流换向模块的换向以转换通过所述TEC模块电流的方向。

2.根据权利要求1所述的简单高效的TEC控制电路，其特征在于，当所述温度监测模块检测的温度值低于预设温度值时，所述输出控制模块控制输出电流增大，所述TEC模块制热；当所述温度监测模块检测的温度值等于预设温度值时，所述输出控制模块控制输出电流不变；当所述温度监测模块检测的温度值高于预设温度值时，所述输出控制模块控制所述电流换向模块换向，所述TEC模块制冷。

3.根据权利要求1所述的简单高效的TEC控制电路，其特征在于，所述输出控制模块包括单片机和BUCK电路，所述BUCK电路的输入端与所述单片机的数模转换接口连接，所述BUCK电路的输出端与所述电流换向模块的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的简单高效的TEC控制电路，其特征在于，所述电流转换模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管和第一电阻，所述第一PMOS管的漏极、所述第二PMOS管的漏极均与所述BUCK电路的输出端连接，所述第一PMOS管的源极与所述第一NMOS管的漏极连接，所述第二PMOS管的源极与所述第二NMOS管的漏极连接，所述TEC模块的第一端与所述第一PMOS管的源极连接，所述TEC模块的第二端与所述第二PMOS管的源极连接，所述第一NMOS管的源极、所述第二NMOS管的源极均与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端接地。

5.根据权利要求3所述的简单高效的TEC控制电路，其特征在于，所述温度监测模块包括用作热敏电阻的第二电阻和用于分压的第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述单片机的第一模数转换接口连接，所述第三电阻的第二端外接参考电压，所述第三电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端接地，所述单片机的第二模数转换接口与所述第一电阻的第一端连接。

6.根据权利要求3所述的简单高效的TEC控制电路，其特征在于，所述第一PMOS管的栅极、所述第一NMOS管的栅极均与所述单片机的第一引脚连接，所述第二PMOS管的栅极、所述第二NMOS管的栅极均与所述单片机的第二引脚连接。

7.根据权利要求3所述的简单高效的TEC控制电路，其特征在于，所述电流转换模块还包括反相器，所述反相器的第一端与所述单片机的第三引脚连接，所述反相器的第一端与所述第一PMOS管的栅极、所述第一NMOS管的栅极连接，所述反相器的第二端与所述第二PMOS管的栅极、所述第二NMOS管的栅极连接。

8.一种温控装置，其特征在于，应用权利要求1-7任一项所述的TEC控制电路。

9.一种TEC控制电路的控制方法，所述TEC控制电路包括温度监测模块、输出控制模块、电流换向模块和TEC模块，其特征在于：

S100、所述温度监测模块监测光发射器的温度向所述输出控制模块发送温度信息；

S110、所述输出控制模块接收所述温度信息，根据温度信息改变通过所述TEC模块电流的大小，并通过所述温度信息控制所述电流换向模块进行换向；

S120、根据电流的换向，所述TEC模块在制热模式与制冷模式之间切换；根据电流的大小的改变，所述TEC模块的制冷量或制热量增加或减小。

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