CN115542976A - 一种光收发模块的温度控制方法及宽温光收发模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及5G光通信领域，特别涉及一种光收发模块的温度控制方法，包括：判断TEC控制算法是否开启；若TEC控制算法开启，则获取TEC目标温度并计算出对应的电压ADC1值，然后获取激光器当前温度并计算出对应的电压ADC2值，将ADC1和ADC2作为参数传给PID控制算法，得到返回值作为待设置的TecSet1_ADC；获取上一次的TecSet0_ADC值与本次计算的TecSet1_ADC值进行比较，如果TecSet0_ADC＝TecSet1_ADC则不进行调整，否则按照差值进行调整，调整时要对单次调整进行步进限值，设定最大调整值，如果差值不大于最大调整值，则将差值设置到TEC_DAC中，如果差值大于最大调整值，则采用步进调整法对TEC_DAC进行多次调整；循环执行使激光器当前温度与TEC目标温度达到动态平衡。本发明能将光收发模块应用于最高95℃的环境，可更好满足需求。

Description

一种光收发模块的温度控制方法及宽温光收发模块

技术领域

本发明涉及5G光通信领域，特别涉及一种光收发模块的温度控制方法及宽温光收发模块。

背景技术

随着(5G)技术逐渐迈入商用化的进程，其新型业务特性和更高指标要求对承载网络架构及各层技术方案均提出了新的挑战。光模块是5G网络物理层的基础构成单元，广泛应用于无线及传输设备。5G时代不同的应用场景对光模块提出了差异化要求，更高速率、更长距离、更宽温度范围和更低成本的新型光模块需求迫切。业界针对适用于5G承载不同应用场景的光模块技术方案已展开广泛研究。

AAU(Active Antenna Unit，有源天线单元)是5G基站信号的发射装置，当客户端某个AAU散热设计容差范围较小时，该AAU满载光模块后的散热问题始终无法解决，当环境温度变的更高，客户端也会产生应用风险。经过全面评估最终选择由光模块提升工作温度范围来解决该应用风险，现有技术中一般工温光模块应用温度范围为-40℃～85℃，在应用温度超过85℃时一般工温光模块将不能正常工作，导致不能满足实际的应用需求。针对上述缺陷，本发明作出了改进。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种光收发模块的温度控制方法及宽温光收发模块，能将光收发模块的应用温度扩展至最高95℃的超高温应用范围，可以满足某些特定的应用场景，因而能更好地满足实际的应用需求。

本发明提供一种光收发模块的温度控制方法，包括以下步骤：

S11、判断TEC控制算法是否开启；

S12、若TEC控制算法开启，则获取TEC目标温度并计算出对应的电压ADC1值，然后获取TOSA激光器当前工作温度并计算出对应的电压ADC2值，将ADC1和ADC2作为参数传给PID控制算法，得到返回值作为待设置的TecSet1_ADC，所述TEC目标温度为期望的TOSA激光器工作温度；

S13、获取上一次的TecSet0_ADC值与本次计算的TecSet1_ADC值进行比较，其中TecSet0_ADC的初始值为0，如果TecSet0_ADC＝TecSet1_ADC则不进行调整，否则按照差值进行调整，在按照差值进行调整时要对单次调整进行步进限值，设定单次调整的最大调整值，如果差值不大于最大调整值，则将差值作为单次调整值TecSet设置到TEC_DAC中，如果差值大于最大调整值，则采用步进调整法对TEC_DAC进行多次调整，TEC_DAC为微控制器设置给TEC驱动器的ADC电压变化量，通过TEC_DAC来改变TEC驱动器控制电压的大小，进一步通过控制TEC制冷器的电流大小与电流方向来加热或制冷TOSA激光器；

S14、循环执行步骤S11-S13，使TOSA激光器当前工作温度与TEC目标温度达到动态平衡。

优选的，所述PID控制算法包括：

S21、获取TEC目标温度对应的ADC1和TOSA激光器当前工作温度对应的ADC2；

S22、计算得到偏差并将差值赋值为perror，即perror＝ADC2-ADC1；

S23、计算得到积分累加和，即integral＝integral+perror*dt，其中

integral为积分和，integral的初始值为0；

S24、计算得到微分，即derivative＝(perror-previous_perror)/dt，其中previous_perror为上一次偏差，previous_perror的初始值为0；

S25、计算得到PID输出，即TecSet_ADC＝(Kp*perror+Ki*integral+Kd*derivative)/F，其中F为控制系数，将计算结果TecSet_ADC作为返回值。

优选的，在PID控制算法的步骤S25中，Kp＝200，Ki＝5，Kd＝50，F＝32。

优选的，所述步进调整法包括：

S31、将设定的最大调整值赋值给单次调整值TecSet，即TecSet＝最大调整值；

S32、将TecSet设置到TEC_DAC中；

S33、N＝N+TecSet，其中N为对TEC_DAC进行调整的已调整值，N初始值为0；

S34、设TecSet0_ADC与TecSet1_ADC的差值为M，将M-N与最大调整值进行比较，若M-N不大于最大调整值，则按照TecSet＝M-N进行调整，若M-N大于最大调整值，则按照TecSet＝最大调整值进行调整；

S35、循环执行步骤S32-S34直至M-N＝0。

优选的，设定单次调整的所述最大调整值为16。

优选的，在步骤S12中，通过TOSA激光器内部的热敏电阻采样电路获取TOSA激光器当前工作温度。

优选的，所述热敏电阻采样电路的采样电压范围为0～2.5V，对应12位采样，ADC值范围为0～4095，采样ADC值、采样电压V、热敏电阻阻值R和摄氏温度T满足以下关系：V＝ADC*2.5/4095；Rt＝(2.5-V)/(2.5/30000)；T＝(1/(log(Rt/10000)/3435+1/298.15))-273.15。

本发明还提供一种宽温光收发模块，包括壳体及设于壳体内的PCBA、TOSA激光器和ROSA探测器，所述TOSA激光器和ROSA探测器均连接所述PCBA，所述TOSA激光器和ROSA探测器用于完成光电信号的转换，所述PCBA包括微控制电路和TEC控制电路，微控制电路与TEC控制电路电连接，TEC控制电路与TOSA激光器电连接，所述微控制电路设有微控制器，所述TEC控制电路设有TEC驱动器，所述TOSA激光器内设有TEC制冷器，TOSA激光器内部还设有热敏电阻采样电路，所述微控制器执行控制程序时实现上文任一项所述的一种光收发模块的温度控制方法。

优选的，所述PCBA还包括发射数据时钟恢复电路、接收数据时钟恢复电路、限幅放大电路、激光器驱动电路、电源管理电路和电接口电路，所述发射数据时钟恢复电路、接收数据时钟恢复电路、限幅放大电路和激光驱动电路集成于MAX24033三合一驱动芯片，所述电源管理电路包括上电缓启动电路和DC-DC电压控制电路，所述微控制电路和电源管理电路均电连接所述MAX24033三合一驱动芯片，所述ROSA探测器电连接所述限幅放大电路，限幅放大电路电连接所述接收数据时钟恢复电路，接收数据时钟恢复电路电连接所述电接口电路，所述TOSA激光器电连接所述激光器驱动电路，激光器驱动电路电连接所述发射数据时钟恢复电路，发射数据时钟恢复电路电连接所述电接口电路，所述微控制电路和电源管理电路均电连接所述电接口电路。

优选的，所述壳体包括上盖和底座，所述ROSA探测器与上盖之间设有第一吸波散热结构，ROSA探测器与底座之间设有第一散热片，所述TEC制冷器的TEC热面通过TO底座接触第二散热片且第二散热片接触所述上盖，所述TOSA激光器通过铝制热沉接触所述第一散热片，所述PCBA上的TEC驱动器与所述上盖之间设有第三散热片，PCBA上的微控制器与所述上盖之间设有第二吸波散热结构。

综上所述，本发明有益效果为：

1.光收发模块中布置有微控制器、TEC驱动器和TEC制冷器，TEC制冷器设置于TOSA激光器内，通过微控制器来执行温度控制方法，并通过TEC驱动器来控制TEC制冷器的电流大小与电流方向，从而使TOSA激光器中的TEC制冷或者发热，来达到降温或者升温的效果，TEC控制算法包括步骤S12和S13，通过循环执行步骤S11-S13能很好地使TOSA激光器当前工作温度与TEC目标温度达到动态平衡，本发明能将光收发模块的应用温度扩展至最高95℃的超高温应用范围，可以满足某些特定的应用场景，因而能更好地满足实际的应用需求；

2.本发明还对模块的散热结构进行了优化设计，再结合基于TEC控制算法的TEC制冷手段，高温时可以有效地降低模块内部以及激光器管芯的工作温度，稳定有效的TEC制冷设计，再加上优秀的热仿真特性和独特的散热结构的辅助散热作用，可使模块在超高温应用环境下也能够表现出优异的性能。

3.通过微控制器的软件PID算法控制TOSA器件的工作温度，当环境温度为高温时，通过TEC制冷使TOSA激光器内部温度降低到指定的工作温度，使TOSA激光器能够保持最佳的性能，当环境温度为低温时，通过改变TEC控制电流的方向，使TEC发热将TOSA激光器的温度提升至指定的工作温度，不管环境温度怎么变，通过PID稳定的软件算法都可以使激光器时钟保持一个最佳的工作温度，最好的性能状态，使数据传输能够稳定可靠地进行。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明光收发模块温度控制方法的一种流程示意图；

图2为本发明光收发模块的一种电路结构框图；

图3为本发明宽温光收发模块的外部结构示意图；

图4为本发明宽温光收发模块内部结构的一种示意图；

图5为本发明宽温光收发模块内部结构的另一种示意图；

图中标记：1-PCBA，2-TOSA激光器，3-ROSA探测器，4-FPC柔板，5-上盖，6-底座，7-第一吸波散热结构，8-第一散热片，9-T0底座，10-第二散热片，11-铝制热沉，12-第三散热片，13-第二吸波散热结构，14-第三吸波散热结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的图1至图5，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

如图1至图5所示，本实施例公开的一种光收发模块的温度控制方法，包括以下步骤：

S11、判断TEC控制算法是否开启；

步骤S11为条件判断，只有在TEC控制算法开启时才继续执行后续步骤。若判断得出TEC控制算法未开启，则执行步骤S14。

S12、若TEC控制算法开启，则获取TEC目标温度并计算出对应的电压ADC1值，然后获取TOSA激光器当前工作温度并计算出对应的电压ADC2值，将ADC1和ADC2作为参数传给PID控制算法，得到返回值作为待设置的TecSetl_ADC，所述TEC目标温度为期望的TOSA激光器工作温度；

在步骤S12中，将温度转换为相应的ADC值后能便于更好地利用PID控制算法进行计算，通过执行PID控制算法能得到返回值，引入PID控制算法能更快更稳定地将TEC温度调节至目标值，即能更有效地使TOSA激光器当前工作温度与TEC目标温度达到动态平衡，PID控制算法得到的返回值为每一个循环周期更新后的计算值，得到返回值作为待设置的TecSet1_ADC就是将该返回值赋值给TecSet1_ADC。

S13、获取上一次的TecSet0_ADC值与本次计算的TecSet1_ADC值进行比较，其中TecSet0_ADC的初始值为0，如果TecSet0_ADC＝TecSet1_ADC则不进行调整，否则按照差值进行调整，在按照差值进行调整时要对单次调整进行步进限值，设定单次调整的最大调整值，如果差值不大于最大调整值，则将差值作为单次调整值TecSet设置到TEC_DAC中，如果差值大于最大调整值，则采用步进调整法对TEC_DAC进行多次调整，TEC_DAC为微控制器设置给TEC驱动器的ADC电压变化量，通过TEC_DAC来改变TEC驱动器控制电压的大小，进一步通过控制TEC制冷器的电流大小与电流方向来加热或制冷TOSA激光器；

在步骤S13中，TecSet0_ADC的初始值为0，即首次计算时软件定义赋值为0，之后将上一次计算得到的TecSet1ADC值赋值给TecSet0_ADC并作为上一次的TecSet0_ADC值，再将该TecSet0_ADC值与本次计算的TecSet1ADC值进行比较，如果TecSet0_ADC＝TecSet1_ADC则不进行调整，否则按照差值进行调整，调整时为了防止调节步进过大，造成TEC温度不稳以及模块会产生浪涌电流，本实施例对单次调整进行步进限值，优选的，设定单次调整的最大调整值为16，如果差值≤16，则将差值作为单次调整值TecSet设置到TEC_DAC中，此时只需调整一次，如果差值＞16，则采用步进调整法对TEC_DAC进行多次调整，通过采用上述调整方式能方便地调整TEC_DAC，通过TEC_DAC来改变TEC驱动器控制电压的大小，进一步通过控制TEC制冷器的电流大小与电流方向来加热或制冷TOSA激光器。

S14、循环执行步骤S11-S13，使TOSA激光器当前工作温度与TEC目标温度达到动态平衡。

在上述技术方案中，光收发模块中布置有微控制器、TEC驱动器和TEC制冷器，TEC制冷器设置于TOSA激光器内，通过微控制器控制执行上述温度控制方法，并通过TEC制冷器来有效地加热或制冷TOSA激光器，TEC控制算法包括步骤S12和S13，通过循环执行步骤S11-S13能很好地使TOSA激光器当前工作温度与TEC目标温度达到动态平衡，对于激光器来说，高温时器件阈值电流变大，激光器芯片带宽劣化，会使激光器性能下降，从而影响到数据的传输，本实施例通过TEC驱动器来控制TEC制冷器的电流大小与电流方向，从而使TOSA激光器中的TEC制冷或者发热，来达到降温或者升温的效果，采用上述技术方案能将光收发模块的应用温度扩展至最高95℃的超高温应用范围，可以满足某些特定的应用场景，因而能更好地满足实际的应用需求。

作为优选的一种技术方案，所述PID控制算法包括：

S21、获取TEC目标温度对应的ADC1和TOSA激光器当前工作温度对应的ADC2；

S22、计算得到偏差并将差值赋值为perror，即perror＝ADC2-ADC1；

S23、计算得到积分累加和，即integral＝integral+perror*dt，其中

integral为积分和，integral的初始值为0；

S24、计算得到微分，即derivative＝(perror-previous_perror)/dt，其中previous_perror为上一次偏差，previous_perror的初始值为0；

S25、计算得到PID输出，即TecSet_ADC＝(Kp*perror+Ki*integral+Kd*derivative)/F，其中F为控制系数，将计算结果TecSet_ADC作为返回值。

本实施例将上述的PID控制算法应用到光收发模块的温度控制方法中，通过微控制器的软件PID算法控制TOSA器件的工作温度，例如，当环境温度为95℃时，通过TEC制冷使TOSA激光器内部温度保持在55℃，使TOSA激光器能够保持最佳的性能，当环境温度为-40℃时，通过改变TEC控制电流的方向，使TEC发热将TOSA激光器的温度提升至55℃，不管环境温度怎么变，通过PID稳定的软件算法都可以使激光器时钟保持一个最佳的工作温度，最好的性能状态，使数据传输能够稳定可靠地进行。

作为优选的一种技术方案，在PID控制算法的步骤S25中，Kp＝200，Ki＝5，Kd＝50，F＝32。在本实施例中，Kp优选200，Ki优选5，Kd优选50，F优选32，上述参数为根据模块上电时序要求300ms，浪涌要求400mA，以及三温眼图性能稳定性调试出的最佳值，依据上述参数确定的PID控制算法能很好地满足实际控制要求。

作为优选的一种技术方案，所述步进调整法包括：

S31、将设定的最大调整值赋值给单次调整值TecSet，即TecSet＝最大调整值；

由于设定单次调整的最大调整值优选16，如果TecSet0_ADC与TecSet1_ADC的差值＞16，则TecSet＝16。

S32、将TecSet设置到TEC_DAC中；

将步骤31得到的TecSet值(即16)设置到TEC_DAC中。

S33、N＝N+TecSet，其中N为对TEC_DAC进行调整的已调整值，N初始值为0；

在步骤S33中，通过引入已调整值N能获取对TEC_DAC进行调整的情况，进而便于根据差值对TEC_DAC进行设置，实施时对TEC_DAC设置一次就累加一次设置的TecSet值。

S34、设TecSet0_ADC与TecSet1_ADC的差值为M，将M-N与最大调整值进行比较，若M-N不大于最大调整值，则按照TecSet＝M-N进行调整，若M-N大于最大调整值，则按照TecSet＝最大调整值进行调整；

在步骤S34中，将M-N与16进行比较，若M-N≤16，则按照TecSet＝M-N进行调整，即将M-N设置到TEC_DAC中，若M-N＞16，则按照TecSet＝16进行调整，即将16设置到TEC_DAC中。

S35、循环执行步骤S32-S34直至M-N＝0。

在本实施例中，通过上述的步进调整法能很好地对TEC_DAC进行多次调整，并使单次调整值不大于设定的最大调整值，通过循环执行步骤S32-S34能很好地按照差值进行调整，即分多次对TEC_DAC进行设置，进而能很好地控制TEC制冷器的电流大小与电流方向来加热或制冷TOSA激光器。

作为优选的一种技术方案，在步骤S12中，通过TOSA激光器内部的热敏电阻采样电路获取TOSA激光器当前工作温度。在本实施例中，将热敏电阻采样电路设置于TOSA激光器内部，通过热敏电阻采样电路能方便地获取TOSA激光器当前工作温度。

作为优选的一种技术方案，所述热敏电阻采样电路的采样电压范围为0～2.5V，对应12位采样，ADC值范围为0～4095，采样ADC值、采样电压V、热敏电阻阻值R和摄氏温度T满足以下关系：V＝ADC*2.5/4095；Rt＝(2.5-V)/(2.5/30000)；T＝(1/(log(Rt/10000)/3435+1/298.15))-273.15。在本实施例中，热敏电阻采样电路的采样电压范围优选为0～2.5V，采用12位二进制采样得到ADC值范围为0～4095，0V对应ADC值为0，2.5V对应ADC值为4095，ADC、V、R和T四者满足的的关系即采样ADC&温度转换算法，通过热敏电阻采样电路能获取采样ADC值，再依据采样ADC&温度转换算法就能方便地获取TOSA激光器当前工作温度，具体地，依据V＝ADC*2.5/4095能通过采样ADC值换算采样电压V，依据Rt＝(2.5-V)/(2.5/30000)能根据当前采样电压V计算热敏电阻阻值Rt，依据T＝(1/(log(Rt/10000)/3435+1/298.15))-273.15能根据阻值Rt计算摄氏温度T，由此通过热敏电阻采样电路就能方便地获取TOSA激光器当前工作温度。具体实施时，获取TEC目标温度后依据采样ADC&温度转换算法能计算出对应的电压ADC1值，获取TOSA激光器当前工作温度后依据采样ADC&温度转换算法能计算出对应的电压ADC2值。

下面举例简单说明调节过程，设定：假如当TEC目标值为50℃，根据热敏电阻采样电路(即采样ADC&温度转换算法)计算出的ADC值为2000；在当前激光器温度低于50℃时：ADC小于2000需要加热，通过TEC控制算法，按照步进将ADC值调至目标值2000，调大电压增大电流，使TEC加热；在当前激光器温度高于50℃时：ADC大于2000需要制冷，通过TEC控制算法，按照步进将ADC值调至目标值2000，减小电压减小电流，使TEC制冷。

需要说明的是，ADC正向调节为加热，反向调节为制冷。这个是相对于目标值来看的，①例如目标ADC值为2500，当前温度采样ADC值为3500，说明温度高了，需要减小，反向调节为制冷。②例如目标ADC值为2500，当前温度采样ADC值为500，说明温度低了，需要增大，正向调节为加热。

本发明还提供一种宽温(-40～95℃)光收发模块，包括壳体及设于壳体内的PCBA1、TOSA激光器2和ROSA探测器3，所述TOSA激光器2和ROSA探测器3均连接所述PCBA1，所述TOSA激光器2和ROSA探测器3用于完成光电信号的转换，所述PCBA1包括微控制电路和TEC控制电路，微控制电路与TEC控制电路电连接，TEC控制电路与TOSA激光器2电连接，所述微控制电路设有微控制器，所述TEC控制电路设有TEC驱动器，所述TOSA激光器2内设有TEC制冷器，TOSA激光器2内部还设有热敏电阻采样电路，所述微控制器执行控制程序时实现上文任一项所述的一种光收发模块的温度控制方法。在上述技术方案中，壳体为结构件，其用于支撑保护内部器件，TOSA激光器2和ROSA探测器3用于完成光电信号的转换，PCBA1用于完成电路信号的控制，上述的光收发模块中布置有微控制器、TEC驱动器和TEC制冷器，微控制器内烧录有控制程序，微控制器执行控制程序时能实现上文任一项所述的一种光收发模块的温度控制方法，进而能将光收发模块的应用温度扩展至最高95℃的超高温应用范围，可以满足某些特定的应用场景，因而能更好地满足实际的应用需求。具体实施时，所述TOSA激光器2和ROSA探测器3均通过FPC柔板4连接所述PCBA1，PCB硬板与TOSA激光器2&ROSA光探测器间采用柔性PCB连接，可以进一步优化发射与接收的性能，增加装配的灵活性。具体实施时，微控制器优选采用MCU(型号EFM8LB12)，TEC驱动器优选采用ADN8834芯片。采用ADN8834电流控制器(即TEC驱动器)配合带TEC制冷器的TOSA可以完美的解决TOSA高温性能不良的问题，通过TEC高温制冷、低温加热的辅助功能，能实现激光器三温优秀的性能表现。本实施例收端电路TIA集成到ROSA内部，采用MAX24009 TIA、DDM监视及控制电路，并采用MCU(EFM8LB12)进行处理。

作为优选的一种技术方案，所述PCBA还包括发射数据时钟恢复电路、接收数据时钟恢复电路、限幅放大电路、激光器驱动电路、电源管理电路和电接口电路，所述发射数据时钟恢复电路、接收数据时钟恢复电路、限幅放大电路和激光驱动电路集成于MAX24033三合一驱动芯片，所述电源管理电路包括上电缓启动电路和DC-DC电压控制电路，所述微控制电路和电源管理电路均电连接所述MAX24033三合一驱动芯片，所述ROSA探测器电连接所述限幅放大电路，限幅放大电路电连接所述接收数据时钟恢复电路，接收数据时钟恢复电路电连接所述电接口电路，所述TOSA激光器电连接所述激光器驱动电路，激光器驱动电路电连接所述发射数据时钟恢复电路，发射数据时钟恢复电路电连接所述电接口电路，所述微控制电路和电源管理电路均电连接所述电接口电路。

优选的，在驱动集成电路中，发射端信号经过发射时钟恢复电路后输出至激光器，驱动电路可驱动激光器输出9.8304G-25.78125GBps速率的光信号。接收端光信号经过探测器后转换为电信号，其次经过限幅放大器将电信号进一步放大，然后将信号输入至接收时钟恢复电路，恢复出准确的数据信息。优选的，激光驱动电路与25G激光器间采用直流耦合方式连接，采用差分50欧姆的设计标准，且所述激光驱动电路设置于所述25G激光器外部，采用此方式，可以有效的调节输出光眼图，从而保证了传输线上特性阻抗连续。接收限幅放大电路与光探测器间采用柔性PCB连接，能够保证信号在传输中获得良好的信号完整性。

优选的，MAX24033需要3.3V以及3.8～4.0V两路电压供电，其中3.8～4.0V为发射端偏置以及调制电路供电，最大接近100mA左右需要使用DC-DC将电压从3.3V升压到3.8V，3.3V直接使用慢启动电路输出电压通过磁珠以及电容滤波后提供，各个功能电路的供电均使用独立的电感加电容的π型滤波网络进行滤波，对低频噪声进行抑制以保证芯片的性能。MAX24033I2C从机接口与MCU IO接口连接，MCU通过模拟I2C主机对芯片内部的寄存器进行配置以保证其正常工作。MAX24033完成信号驱动放大功能，络TX_INP/TX_INN为输入的数据信号；激光器接收到电信号后转化成光信号，探测器检测到光信号后转换为电信号经过驱动芯片的限幅放大，数据信号最后由RX_OUTP/RX_OUTN返回到SFP+金手指输出。

优选的，差分耦合电容是AC差分耦合电容，差分耦合电容选取主要由以下原则：

①电容带来的码型抖动不超过单位周期的5％，容值大带来的抖动小些；

②尽量选择小封装电容，其高频特性好些；

③综合前面两种考虑推荐使用1nf～100nf的电容，本电路选用0.1uf电容。

优选的，电源滤波电容，一般芯片电源引脚都需要并联小电容来滤波除去晶体管开关的尖峰，芯片电路使用10nf和0.1uf电容组合；模块PCB空间有限，需选用0201封装电容；其中上拉电阻，根据I2C总线要求，一般选择4.7k～10k电阻。

优选的，MCU即微控制器，根据SFF-8472协议要求，对模块的5个参数进行实时上报，包括工作电压、工作温度、激光器偏置电流、发射光功率、接收光功率。并且对芯片进行上电初始化配置，保证整个系统能够稳定有序的工作。通过I2C控制MAX24033内部寄存器，实现DDM监控，根据协议要求实现主机与从机的读写功能，并通过金手指I2C与主机进行通信。MCU(EFM8LB12)通过DAC以及外部扩展DAC实现对ADP输出电压以及TEC输出电流进行控制。

优选的，电源管理电路主要包括上电缓启动电路和4V DC-DC电路。上电缓启动电路以功率MOSFET管作为核心来减小上电浪涌，MOS管最高可以承受2000mA电流，完全可以满足模块最高580mA的供电需求。MAX24033 VCCTO需要提供大于等于3.3V且小于4V的电压，以保证VOUT引脚输出电压保持在Fault触发的阈值范围以外，使用DC-DC TPS63050芯片实现升压电路。DC-DC电路由升压稳压器芯片组成，芯片管脚Mode接地，将DCDC芯片工作模式设计成固定频率的PWM，获得更小的纹波输出，同时通过FB管脚反馈调节将3.3v电压转化为4.0V电压输出。

优选的，激光驱动器及后放电路设计，接收端电路ROSA输出信号交流耦合接入到MAX24033接收端。接收监控电路需要根据PIN输出镜像比例电流来进行接收光功率的监控，需要选择适当的参数来保证采样范围合适从而达到在监控光功率范围内保证监控误差满足要求。RSSI为TIA输出光生电流监控，下拉1kΩ电阻到地，将光电流信号转换为电压信号，旁边接入旁路电容滤掉无关噪声，供MCU采样完成模数转换。

作为优选的一种技术方案，所述壳体包括上盖5和底座6，所述ROSA探测器3与上盖5之间设有第一吸波散热结构7，ROSA探测器3与底座6之间设有第一散热片8，所述TEC制冷器的TEC热面通过TO底座9接触第二散热片10且第二散热片10接触所述上盖5，所述TOSA激光器2通过铝制热沉11接触所述第一散热片8，所述PCBA1上的TEC驱动器与所述上盖5之间设有第三散热片12，PCBA1上的微控制器与所述上盖5之间设有第二吸波散热结构13。本实施例对光收发模块的热仿真结构进行了设计优化，热仿真结构具体包括第一吸波散热结构7、第一散热片8、T0底座9、第二散热片10、铝制热沉11、第三散热片12和第二吸波散热结构13等散热结构，具体实施时，ROSA通过导热率为1.8W/m·k的吸波散热材料(即第一吸波散热结构7)与上盖5接触，通过8W/m·k的散热片(即第一散热片8)与底座6接触传热；TOSA激光器2带有TEC制冷器，TEC热面通过TO底座9接触6W散热片(即第二散热片10)，并将热量传递至上盖5，通过铝制热沉11接触8W散热片(即第一散热片8)，并将热量传递至底座6；PCB板BOTTOM面TEC电源驱动(即TEC驱动器)通过6W/m·k散热片(即第三散热片12)与上盖5接触；MCU(即微控制器)通过导热率为1.8W/m·k的吸波散热材料(即第二吸波散热结构13)与上盖5接触，传递热量；PCB板TOP面Driver(即MAX24033三合一驱动芯片)通过导热率为1.8W/m·k的吸波散热材料(即第三吸波散热结构14)向底座6传递热量，能够实现更好的散热特性。上述的热仿真结构散热技术，再结合前述的基于TEC控制算法的TEC驱动制冷技术，能使模块更好地应用在超工温的环境条件下，最高使用环境温度可以达到95℃。具体实施时，T0底座9的侧面与第二散热片10接触进行散热，铝制热沉11包裹T0底座9的一侧，铝制热沉11为铝制材料，热传导很快，散热效果好。

本发明提供的一种光收发模块的温度控制方法及一种宽温(-40～95℃)光收发模块可应用于单通道25G光收发模块，即本发明实际上也提供了一种单通道25G光收发模块的温度控制方法及一种单通道25G宽温(-40～95℃)光收发模块，可更好地满足实际应用需求。

本实施例提供的光收发模块遵循MSA、SFF以及IEEE 802.3cc协议要求，该宽温(-40℃～95℃)光收发模块为满足标准SFF协议的双纤双向光模块，具有低功耗、小封装、可热插拔、9.8～28.05G传输速率、支持数字诊断等优点，光纤传输距离达到10km，能应用于超温的系统工作温度-40～95℃，既能用于5th Generation无线网络基站建设，也适用于25GbpsEthernet、CPRI/eCPRI等应用场景。

本发明通过采用TEC驱动制冷技术结合热仿真结构散热技术，使模块能够应用在超工温的环境条件下，最高使用环境温度可以达到95℃，超出了行业普遍的工温(-40～85℃)应用温度范围，丰富了应用环境，解决了特殊环境下的光模块应用需求。在激光驱动电路、DCDC电路、上电缓启动电路以及MCU控制电路的基础上，通过对信号完整性进行分析、对传输线上阻抗特性的优化、对激光驱动芯片配置进行反复调试，最终使光模块三温表现出优异的发射性能和接收灵敏度水平。

本实施例中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，在此不做进一步说明。

各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利权保护范围内。

Claims (10)

1.一种光收发模块的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11、判断TEC控制算法是否开启；

S12、若TEC控制算法开启，则获取TEC目标温度并计算出对应的电压ADC1值，然后获取TOSA激光器当前工作温度并计算出对应的电压ADC2值，将ADC1和ADC2作为参数传给PID控制算法，得到返回值作为待设置的TecSet1_ADC，所述TEC目标温度为期望的TOSA激光器工作温度；

S13、获取上一次的TecSet0_ADC值与本次计算的TecSet1_ADC值进行比较，其中TecSet0_ADC的初始值为0，如果TecSet0_ADC＝TecSet1_ADC则不进行调整，否则按照差值进行调整，在按照差值进行调整时要对单次调整进行步进限值，设定单次调整的最大调整值，如果差值不大于最大调整值，则将差值作为单次调整值TecSet设置到TEC_DAC中，如果差值大于最大调整值，则采用步进调整法对TEC_DAC进行多次调整，TEC_DAC为微控制器设置给TEC驱动器的ADC电压变化量，通过TEC_DAC来改变TEC驱动器控制电压的大小，进一步通过控制TEC制冷器的电流大小与电流方向来加热或制冷TOSA激光器；

S14、循环执行步骤S11-S13，使TOSA激光器当前工作温度与TEC目标温度达到动态平衡。

2.根据权利要求1所述的一种光收发模块的温度控制方法，其特征在于，所述PID控制算法包括：

S21、获取TEC目标温度对应的ADC1和TOSA激光器当前工作温度对应的ADC2；

S22、计算得到偏差并将差值赋值为perror，即perror＝ADC2-ADC1；

S23、计算得到积分累加和，即integral＝integral+perror*dt，其中integral为积分和，integral的初始值为0；

S24、计算得到微分，即derivative＝(perror-previous_perror)/dt，其中previous_perror为上一次偏差，previous_perror的初始值为0；

S25、计算得到PID输出，即TecSet_ADC＝(Kp*perror+Ki*integral+Kd*derivative)/F，其中F为控制系数，将计算结果TecSet_ADC作为返回值。

3.根据权利要求2所述的一种光收发模块的温度控制方法，其特征在于，在PID控制算法的步骤S25中，Kp＝200，Ki＝5，Kd＝50，F＝32。

4.根据权利要求1所述的一种光收发模块的温度控制方法，其特征在于，所述步进调整法包括：

S31、将设定的最大调整值赋值给单次调整值TecSet，即TecSet＝最大调整值；

S32、将TecSet设置到TEC_DAC中；

S33、N＝N+TecSet，其中N为对TEC_DAC进行调整的已调整值，N初始值为0；

S34、设TecSet0_ADC与TecSet1_ADC的差值为M，将M-N与最大调整值进行比较，若M-N不大于最大调整值，则按照TecSet＝M-N进行调整，若M-N大于最大调整值，则按照TecSet＝最大调整值进行调整；

S35、循环执行步骤S32-S34直至M-N＝0。

5.根据权利要求1所述的一种光收发模块的温度控制方法，其特征在于，设定单次调整的所述最大调整值为16。

6.根据权利要求1所述的一种光收发模块的温度控制方法，其特征在于，在步骤S12中，通过TOSA激光器内部的热敏电阻采样电路获取TOSA激光器当前工作温度。

7.根据权利要求6所述的一种光收发模块的温度控制方法，其特征在于，所述热敏电阻采样电路的采样电压范围为0～2.5V，对应12位采样，ADC值范围为0～4095，采样ADC值、采样电压V、热敏电阻阻值R和摄氏温度T满足以下关系：V＝ADC*2.5/4095；Rt＝(2.5-V)/(2.5/30000)；T＝(1/(log(Rt/10000)/3435+1/298.15))-273.15。

8.一种宽温光收发模块，其特征在于，包括壳体及设于壳体内的PCBA、TOSA激光器和ROSA探测器，所述TOSA激光器和ROSA探测器均连接所述PCBA，所述TOSA激光器和ROSA探测器用于完成光电信号的转换，所述PCBA包括微控制电路和TEC控制电路，微控制电路与TEC控制电路电连接，TEC控制电路与TOSA激光器电连接，所述微控制电路设有微控制器，所述TEC控制电路设有TEC驱动器，所述TOSA激光器内设有TEC制冷器，TOSA激光器内部还设有热敏电阻采样电路，所述微控制器执行控制程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.根据权利要求8所述的一种宽温光收发模块，其特征在于，所述PCBA还包括发射数据时钟恢复电路、接收数据时钟恢复电路、限幅放大电路、激光器驱动电路、电源管理电路和电接口电路，所述发射数据时钟恢复电路、接收数据时钟恢复电路、限幅放大电路和激光驱动电路集成于MAX24033三合一驱动芯片，所述电源管理电路包括上电缓启动电路和DC-DC电压控制电路，所述微控制电路和电源管理电路均电连接所述MAX24033三合一驱动芯片，所述ROSA探测器电连接所述限幅放大电路，限幅放大电路电连接所述接收数据时钟恢复电路，接收数据时钟恢复电路电连接所述电接口电路，所述TOSA激光器电连接所述激光器驱动电路，激光器驱动电路电连接所述发射数据时钟恢复电路，发射数据时钟恢复电路电连接所述电接口电路，所述微控制电路和电源管理电路均电连接所述电接口电路。

10.根据权利要求8所述的一种宽温光收发模块，其特征在于，所述壳体包括上盖和底座，所述ROSA探测器与上盖之间设有第一吸波散热结构，ROSA探测器与底座之间设有第一散热片，所述TEC制冷器的TEC热面通过T0底座接触第二散热片且第二散热片接触所述上盖，所述TOSA激光器通过铝制热沉接触所述第一散热片，所述PCBA上的TEC驱动器与所述上盖之间设有第三散热片，PCBA上的微控制器与所述上盖之间设有第二吸波散热结构。

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