CN1977472A - 基于微控制器的热电冷却器控制器 - Google Patents

Abstract

使用微控制器(122)来控制收发器中的热电冷却器(TEC)(112)。除了TEC(112)控制功能性之外，微控制器(122)还用来控制其它的功能性。具体地，使用微控制器(122)中的控制算法来控制TEC(112)。微控制器(122)将信号发送到控制通过TEC(112)的电流的开关器件(202、302)。

Description

基于微控制器的热电冷却器控制器

                          发明背景

1.发明领域

本发明总体上涉及控制光纤收发器中的热电冷却器(TEC)。更具体地，本发明涉及将微控制器用于TEC控制器。

2.技术领域

网络通信中对高速度的需要导致了光纤网络的安装。光纤网络使用光信号在光纤线缆上进行数据通信。光信号通常由发光二极管(LED)或激光二极管产生。电信号施加到LED或激光二极管，LED或激光二极管将电信号转换成光信号。在接收路径中，光信号由光敏器件接收，光敏器件将光信号转换成供该光敏器件所在的主机设备使用的电信号。典型地，主机设备将具有发射部和接收部，发射部包括LED或激光二极管，接收部包括如光电二极管的光敏器件。发射部和接收部典型地结合在称作收发器的装置中。

为实现即时、高效和高速度的使用光纤线缆的数据通信，需要调节收发器工作的工作条件。特别地，温度的改变会影响LED或激光二极管的输出波长。控制LED或激光二极管的温度的一个方法是使用热电冷却器(TEC)。

TEC是这样一种装置，通过该装置的电流将加热该装置的一侧而冷却该装置的另一侧。被加热侧和被冷却侧由电流的方向控制。这样，在一个方向上的电流加热第一侧，而当电流反向时相同的第一侧将被冷却。这样，通过改变电流方向，连接到激光器或光电二极管的TEC可被用于加热或冷却激光器或LED，以保持恒定的工作温度。

通常使用连接到开关电路的模拟PID控制器来控制TEC。开关电路通常提供了用于在TEC中产生两个方向的电流的电路。例如，这可以通过使用H桥或推拉放大器实现。模拟控制器典型地使用模拟放大器以及电阻器、电容器和电感器网络。模拟放大器可以实施在专门设计和制造用于TEC控制器的专用控制器芯片中。

对收发器的各种优化是理想的。例如，在数字应用中使用较小的部件以及对部件的不断小型化；收发器尺寸的最小化也是理想的。然而，使用外部部件与使收发器的尺寸最小的优化设计背道而驰。因此，为了小型化的目的，使TEC控制器中的部件数量最小是理想的。

使收发器耗电最小也是理想的。模拟控制器和与模拟控制器一起使用的外部部件需要一定量的电力，并因此相应地产生一定量的热。因此，限制在TEC控制器中所使用的部件数量以便省电是理想的。在光学收发器中尤其是这样，因为各种标准和多源协议(MSA)规定了光学收发器可消耗的总电量。

出现在光学回路中的另一个问题是激光器特性随时间改变的倾向。即，激光器使用时间越长，激光器的特性会从其最初制造时所拥有的那些特性发生改变。例如，可绘出激光器的输出光功率相对于通过该激光器的电流的曲线图。通过激光器的电流也会加热激光器。当收发器最初制造时，与激光器一起使用的许多部件，如激光驱动器和TEC电路，是基于制造收发器时存在的输出功率-电流特性来设计的。然而，随着收发器的老化，向激光器供电以便产生特定的光功率输出所需的电流的量也会改变。此外，调节老化激光器的温度变化需要不同于对新激光器所使用的控制算法。然而，大多数TEC控制器只能实现单个的用于稳态工作的控制算法。因此，当收发器老化时，便不能为了激光器的最优冷却而优化模拟控制器的控制。

在TEC控制器的控制和激光器的温度方面出现的另一个问题是当激光器最初接通时所需的控制与激光器在稳定状态条件下所需的控制相比的不同。当收发器最初通电时，激光器会处于比最佳工作所需的状态凉得多的状态。因此理想的是快速提升温度以便使激光器迅速达到稳态的工作温度。然而，这需要具有高级功能性的专用TEC控制器。此外，为使用这种高级功能性，需要附加的部件，如附加的电阻器、电容器和电感器，从而增加了尺寸以及功率消耗。

发明简述

本发明的一个实施例包括用于控制TEC的装置。该装置包括开关器件。该开关器件设计成给TEC提供电流。微控制器连接到该开关器件。该微控制器配置成控制开关器件以便允许电流通过TEC。除TEC控制之外，该微控制器还配置成控制收发器中的其它功能性。有利地，这允许已经针对收发器中的其它功能性设计的微控制器被用于TEC控制，从而节省功率资源，并减少收发器中的部件数。此外，使用微控制器使得能够实现较为灵活的TEC控制。

本发明的一个实施例可以实施为用于光纤通信的收发器。该收发器包括光发生器件，如激光二极管或发光二极管。该光发生器件配置成将电信号转换成在光线网络中传输的光(光学)信号。TEC连接到该光发生器件。该TEC配置成调节光发生器件的温度。一开关连接到TEC。该开关配置成切换通过TEC的电流。微控制器连接到该开关。该微控制器配置成控制该开关。该微控制器还配置成控制收发器中的至少一个其它功能或器件的功能性。

实施例还可以实施为用于控制收发器上的温度部件的方法。一个示例性实施例包括感测收发器中的器件温度的步骤。器件温度的指示被提供到微控制器。在微控制器，执行将温度指示用作反馈参数的控制算法。微控制器还执行收发器中的其它功能性。控制信号发送到开关器件。该控制信号依赖于控制算法的结果。在开关器件，电流被切换到TEC，这允许将TEC对电流的热响应用于调节收发器中的器件的温度。

根据以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它优点和特征会更加明显，或可以通过如下文所述的本发明的实施加以了解。

附图简述

为了获得本发明的上述和其它优点和特征，以上简述的本发明将参考其具体的实施例给予更加具体的描述，这些实施例在附图中说明。应当理解，这些附图说明的仅仅是本发明的典型实施例，因此不能理解为对其范围的限制，通过使用这些附图来更加具体和详细地描述和解释本发明，其中：

图1说明包括通过光纤连接通信的两个主机的布局，其中可以实施本发明的各种实施例；

图2说明一个实施例，其中微控制器用作开关的控制器，用来控制用于调节光发生器件的温度的TEC；以及

图3说明一开关，其实施为H桥，使得到TEC的电流能够在两个方向切换，以便改变TEC的加热和冷却特性。

发明详述

如上所述，热电冷却器(TEC)用来调节光学收发器中的激光器或发光二极管(LED)的温度。TEC控制器用来控制TEC的工作。TEC控制器典型地连接到开关器件，其中开关器件用来切换通过TEC的电流。本发明的各种实施例使用在收发器装置中通常用作TEC控制器的现有微控制器。这允许根据操作收发器(例如，启动与稳态)时的操作状况来实现灵活的控制。此外，随着收发器的老化，基于微控制器的控制可以考虑控制TEC时的激光特性的改变。

现参考图1，示出了其中可以使用本发明的实施例的布局。图1示出了主机102，其包括收发器104。该收发器通常包括发射光学子组件(TOSA)106和接收器光学子组件(ROSA)108。TOSA106包括光发生器件110，如LED或激光二极管。光发生器件110典型地热连接到TEC 112，其中TEC 112用来控制光发生器件110的工作温度。ROSA 108包括光敏器件114，在该实例中如光电二极管。

作为说明，来自主机102的数据被发送到收发器104，在收发器中数据从电信号转换成光信号并在发射路径116上发射。典型地，发射路径116是光纤。数据从第一主机102发射到第二主机118，尽管此处未示出，第二主机118也包括用于发送和接收光学数据的收发器。在返回路径，第二主机118将在接收路径120上发送信号，其中来自第二主机118的数据由收发器104中的ROSA 108接收。ROSA包括光敏器件114，其将接收路径120上的光信号转换成电信号。然后该电信号可以馈送到主机设备102供主机设备102使用。

收发器104还包括微控制器122。一般地，微控制器控制收发器104上的各种功能。一种这样的功能可以包括监视诸如温度和供电电压的环境特性。另一种功能可以包括监视发射功率、激光偏置和所接收的光功率。另一种功能可以包括控制激光偏置、光电检测器和激光调制。另一种功能可以包括与主机设备102通信。

这样在本发明的一个实施例中，除了微控制器的其它功能性之外，微控制器122可用来控制用于控制或调节TEC 112的热泵特性的TEC控制器(未示出)。例如，微控制器可以实施PID控制算法，用于控制光发生器件110的温度。

连接到光发生器件110的温度传感器或热电偶可以用来收集光发生器件110或收发器104中的任何其它热发生器件的温度指示。所述温度指示，例如可以是模拟电压或来自模数转换器的数字信号，作为用于PID控制的反馈被提供到微控制器。PID控制使微控制器将依赖于控制算法的控制信号发送到开关器件(结合对图2和3的描述在以下更详细地说明)。该开关器件使电流递送到TEC 112，使得TEC对电流的热响应可用来调节光发生器件110的温度。

现参考图2，示出了说明控制TEC 112的微处理器122的示例性实施例，所述TEC 112用于调节光发生器件110的温度。典型地，微控制器122能够在集成到微控制器122中的管脚处输出低功率数字信号。这些低功率数字信号可用来控制开关202，开关202能够切换足以在TEC 112中驱动的较高功率的电流。举例来说且非限定地，数字开关202能够切换的电流范围是大约500mA。

现再次参考图2，说明了TEC 112的工作。TEC 112包括两个侧，第一侧204和第二侧206。依赖于流经TEC 112的电流的方向，两个侧中的一个将产生热而另一个侧被冷却。这样如果电流沿第一方向208流动，则第一侧204被冷却而第二侧206被加热。

在一个实施例中，热沉210可附着于第二侧206。如图1所示，热沉210可以在外部安装于诸如收发器102的收发器上。这有助于将光发生器件110所产生的热通过TEC 112耗散到热沉210。该热可耗散到周围的空气中，以保持光发生器件110的适合的工作温度。反馈环可以将光发生器件110的温度指示提供到微控制器122。PID控制器用该反馈来调节通过TEC 112的电流，以便调节光发生器件110的温度。因此，除了控制收发器104的一个或多个功能以外，微控制器122还控制TEC 112的工作。

图3示出H桥开关302。H桥开关302连接到TEC 112。使用H桥开关，如图3所示的开关302，不仅可以控制电流，而且可以控制电流的方向。H桥开关302包括四个内部开关304、306、308和310。通过控制在任何给定时间闭合哪些开关，可以控制电流方向。例如，当开关304和开关310闭合时，电流沿第一方向208流动。这使TEC的第一侧204被冷却而TEC的第二侧206被加热。当开关304和310断开而开关308和306闭合时，产生与第一电流208相反方向的电流通过TEC 112。这使TEC的第一侧204被加热而TEC的第二侧206被冷却。这样，通过使用H桥开关302，可以按照需要加热或者冷却光发生器件。因此除了控制收发器104的一个或多个功能以外，微控制器122还控制TEC 112的工作。例如，图3中的开关304、306、308和310可以是晶体管。

H桥开关302通常可描述为放大器电路。其它的放大器电路也可以用于切换到TEC 206的电流。例如，通过使用微处理器的数字控制，D类放大器特别适合于本发明的实施例。D类放大器通常是脉宽调制(PWM)放大器。脉宽调制放大器改变与方波信号为低的时间量相比的方波信号为高的时间量。这样，在一个实施例中，当方波信号为高时，D类放大器使连接到光发生器件的TEC侧冷却，当方波信号低时，使其加热或关断。也可以使用各种其它类型的放大器。

由于现代微控制器的特性，由微控制器所实现的反馈控制会非常灵活。例如，反馈控制可以包括定义光发生器件的老化的参数。老化值可以存储于存储器中，其中老化值不断更新以反映光发生器件已使用的时间量。反馈控制可以基于老化值而改变递送到TEC控制器的电流量。这样，通过根据光发生器件的老化来改变光发生器件的温度，可以控制光发生器件的输出。

反馈控制也可以包括根据收发器已经工作多长的时间而改变的参数。例如，如果收发器是经过长期闲置之后首次启动，通过针对允许快速加热的反馈控制的传递函数响应来进行设计，将光发生器件快速加热到所希望的工作温度会是理想的。一旦光发生器件处于特定的工作温度，反馈控制可以具有允许光发生器件中的较为平缓的温度变化的不同传递函数响应。

本发明可以以其它特定的形式实施，而不会偏离其精神或本质特性。所述实施例应在所有的方面理解为仅仅是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述说明示出。所述权利要求的等同者的含义和范围之内的所有更改应包括在它们的范围之内。

Claims (14)

1.一种用于控制TEC的装置，包括：

开关器件，该开关器件适合将电流供给到TEC；

耦连到所述开关器件的微控制器，该微控制器配置成控制所述开关器件以便允许电流通过TEC，并且控制光学收发器中的其它收发器模块的功能性。

2.权利要求1的装置，其中所述开关器件适合于以第一和第二方向来切换电流，以便于切换被加热和冷却的TEC侧。

3.权利要求2的装置，其中所述开关器件包括H桥。

4.权利要求1的装置，其中所述开关器件是D类放大器。

5.权利要求1的装置，其中所述微控制器配置成在收发器启动时实施与在稳态控制过程中不同的反馈控制。

6.权利要求1的装置，其中所述微控制器配置成实施反馈控制，该反馈控制使用定义光发生器件的老化的参数。

7.一种用于光纤通信的收发器，该收发器包括：

光发生器件，配置成将电信号转换成用于在光纤网络上传输的光信号；

耦连到所述光发生器件并且配置成调节所述光发生器件的温度的TEC；

耦连到所述TEC的开关器件，该开关器件配置成切换通过所述TEC的电流；以及

耦连到所述开关器件的微控制器，其中该微控制器配置成控制所述开关器件，该微控制器还配置成控制所述收发器中的至少一个其它功能或器件的功能性。

8.权利要求7的收发器，其中所述光发生器件是LED。

9.权利要求7的收发器，其中所述光发生器件是激光二极管。

10.权利要求7的收发器，进一步包括耦连到所述TEC的热沉。

11.一种控制收发器上部件的温度的方法，该方法包括：

感测所述收发器中的器件的温度；

将器件的温度指示提供到微控制器；

在所述微控制器，执行将所述温度指示用作反馈参数的控制算法，其中所述微控制器执行收发器中的其它功能性；

将控制信号发送到开关器件，该控制信号依赖于执行控制算法的结果；以及

在所述开关器件，将电流切换到TEC，使得该TEC对电流的热响应可用来调节所述收发器中的所述器件的温度。

12.权利要求11的方法，其中将电流切换到TEC使连接到所述收发器中的所述器件的所述TEC的第一侧被冷却。

13.权利要求11的方法，其中将电流切换到TEC使连接到所述收发器中的所述器件的所述TEC的第一侧被加热。

14.权利要求11的方法，其中将电流切换到TEC包括将脉宽调制电流切换到所述TEC以使得当脉宽调制信号高时，所述TEC的一侧被加热，而当脉宽调制信号低时，所述TEC的所述一侧被冷却。

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