JP4449309B2

JP4449309B2 - 温度制御回路

Info

Publication number: JP4449309B2
Application number: JP2003038752A
Authority: JP
Inventors: 竜太郎二見
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2023-02-17
Also published as: JP2004247694A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度制御回路に関し、より詳細には、光通信システムの送信器において、レーザダイオードなどの発光素子の温度を一定に保つための温度制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムに用いられるレーザ・ダイオードは、温度によって発振波長が変わるという特性を有している。従って、安定した光パワー、安定した光波長で出力するためには、レーザ・ダイオードの温度を一定に保つ必要がある。このために、レーザ・ダイオードを実装する基板等にペルチェ素子などの温度調整素子（以下、ＴＥＣという）を密着させ、基板等にはサーミスタなどの温度センサを配置しておく。レーザダイオードの周囲温度を温度センサの抵抗値の変化によって検出し、検出された抵抗値に応じてＴＥＣを駆動する電流を変えることにより、レーザダイオードの周囲温度を一定に保つようになっている。
【０００３】
ＴＥＣは、電流を流す方向により加熱、吸熱を切り替えることができ、電流量を変えることにより加熱量、吸熱量を制御することができる。ＴＥＣを制御する方法として、以下の方法が知られている。
【０００４】
図１に、従来のリニア制御回路を示す。ＴＥＣ１１には、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４によるＨブリッジが接続され、各々のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のベース端子には、温度コントローラ１３が接続されている。ＴＥＣ１１を駆動するための電流は、電源１４からＨブリッジを介して供給される。ＴＥＣ１１とともに、図示しないレーザダイオードなどの発光素子の近傍には、温度センサ１２が配置されている。
【０００５】
温度コントローラ１３は、温度センサ１２により検知した発光素子の周囲温度に応じて、ＴＥＣ１１の駆動電流の方向と電流量を制御する。リニア制御回路は、Ｈブリッジの線形領域を利用するので、後述するスイッチを用いる制御回路と比較して、雑音レベルが低いという利点を有する。しかしながら、ＴＥＣの駆動電流がＡオーダと大きいために、トランジスタでの電力損失が大きく、許容電力の大きなトランジスタが必要である。このようなリニア制御回路として、単一電源で駆動し、小型化、低消費電力化を図った回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図２に、従来のＰＷＭ制御回路を示す。ＴＥＣ２１には、ＦＥＴを用いたスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４によるＨブリッジが接続され、各々のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の開閉は、温度コントローラ２３により制御されている。ＴＥＣ２１を駆動するための電流は、電源２４からＨブリッジを介して供給される。ＴＥＣ２１とともに、図示しない発光素子の近傍には、温度センサ２２が配置されている。
【０００７】
温度コントローラ２３は、温度センサ２２により検知した発光素子の周囲温度に応じて、ＴＥＣ２１の駆動電流の方向と電流量を制御する（例えば、特許文献２参照）。制御方法は、パルス幅変調（ＰＷＭ）またはパルス周波数変調（ＰＦＭ）により、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の開閉と、ＯＮ／ＯＦＦ時間の比率を変えることにより、駆動電流の方向と電流量を制御する。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、飽和領域で使用されるため、許容電力の小さい素子を使用することができる。しかしながら、電源２４の電圧が直接ＴＥＣ２１にかかるために、電源電圧が、ＴＥＣ２１の定格電圧に制限されるとう制約がある。
【０００８】
図３に、従来の定電圧制御回路を示す。ＴＥＣ３１の両端には、インダクタＬ１，Ｌ２、コンデンサＣ１，Ｃ２およびダイオードＤ１，Ｄ２からなる回路と、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４によるＨブリッジとが接続され、それぞれ両端にスイッチング・レギュレータを構成している。各々のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の開閉は、定電圧コントローラ３７により制御されている。ＴＥＣ３１を駆動するための電流は、電源３４からスイッチング・レギュレータを介して供給される。ＴＥＣ３１とともに、図示しない発光素子の近傍には、温度センサ３２が配置されている。温度センサ３２の出力は、温度モニタ３５を介して温度コントローラ３２に接続され、ＴＥＣ３１の両端の電圧は、電圧モニタ３６を介して定電圧コントローラ３７に接続されている。
【０００９】
温度コントローラ３３は、温度センサ２２により検知した発光素子の周囲温度に応じて、定電圧コントローラ３７にフィードバックする。定電圧コントローラ３７は、パルス幅変調（ＰＷＭ）またはパルス周波数変調（ＰＦＭ）により、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の開閉と、ＯＮ／ＯＦＦ時間の比率を変えることにより、ＴＥＣ３１の両端の電圧を制御して、ＴＥＣ３１の駆動電流の方向と電流量を制御する。定電圧制御回路は、電力効率の高いスイッチング・レギュレータにより、低消費電力化を図ることができ、ＴＥＣ３１の両端の電圧を任意の電圧に設定できるという利点がある。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−３０８３９６号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平１０−３３５７２４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スイッチング・レギュレータによる定電圧制御回路は、比較的部品サイズの大きいインダクタとコンデンサを有するので、上述した制御回路と比較して回路規模が大きいというという問題があった。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低消費電力化を図るとともに、小型化が可能な温度制御回路を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、温度制御の対象に熱的に結合された温度センサ（４２）と温度調整素子（４１）とを用いて前記対象の温度制御を行う温度制御回路において、前記温度センサの出力電圧と所定の温度に対応する基準電圧との誤差信号を出力する温度コントローラ（４３）と、該温度コントローラから出力された前記誤差信号に基づいて、前記温度調整素子（４１）を流れる電流を制御する定電流制御回路であって、（ａ）前記温度調整素子に流れる電流を供給するための電源（４４）と、（ｂ１）出力される電流の極性を切り替えるために、前記電源に接続された複数のスイッチング素子であって、前記電源の正極に一端が接続された第１のスイッチング素子（ＳＷ２）および第２のスイッチング素子（ＳＷ４）、および前記電源の負極に一端が接続された第３のスイッチング素子（ＳＷ１）および第４のスイッチング素子（ＳＷ３）、（ｂ２）前記第１のスイッチング素子の他端および前記第３のスイッチング素子の他端に一端が接続されたインダクタンス素子（Ｌ）、および（ｂ３）前記インダクタンス素子の他端に一端が接続され、前記第２のスイッチング素子の他端および前記第４のスイッチング素子の他端に他端が接続されたコンデンサ素子（Ｃ）を有するスイッチング・レギュレータであって、前記コンデンサ素子の両端から出力が取り出されるスイッチング・レギュレータと、（ｃ）前記コンデンサ素子の両端の間に、前記温度調整素子とともに直列に接続された電流検知素子（Ｒ）と、（ｄ）前記誤差信号および前記電流検知素子の出力に基づいて、前記スイッチング素子の導通時間を制御して、前記温度調整素子を流れる電流の方向と電流量を制御する定電流コントローラ（４７）であって、（ｄ１）前記第１のスイッチング素子を導通させ前記第３のスイッチング素子を非導通とした場合には、前記第２のスイッチング素子を非導通とし前記第４のスイッチング素子を導通させる時間と、前記第２のスイッチング素子を導通させ前記第４のスイッチング素子を非導通とする時間との比により、（ｄ２）前記第２のスイッチング素子を導通させ前記第４のスイッチング素子を非導通とした場合には、前記第１のスイッチング素子を非導通とし前記第３のスイッチング素子を導通させる時間と、前記第１のスイッチング素子を導通させ前記第３のスイッチング素子を非導通とする時間との比により、前記温度調整素子を流れる電流量を制御する定電流コントローラとを含む定電流制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
図４に、本発明の一実施形態にかかる温度制御回路を示す。温度制御の対象であるレーザダイオードなどの発光素子（図示しない）に、温度調整素子であるＴＥＣ４１と温度センサ４２とが熱的に結合されている。温度センサ４２の出力電圧は、温度モニタ４５を介して温度コントローラ４３に入力される。温度コントローラ４３は、温度センサ４２の出力電圧と所定の温度に対応する基準電圧とを比較して、その誤差信号を定電流制御回路の定電流コントローラ４７にフィードバックする。
【００２１】
定電流制御回路は、電源４４と、電源４４に接続されたスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４で構成されたＨブリッジと、インダクタＬと、コンデンサＣとから構成されたスイッチング・レギュレータを有している。また、ＴＥＣ４１に流れる電流を検出するための抵抗Ｒを備え、抵抗Ｒには、両端電圧を検出する電流モニタ４６が接続されている。定電流コントローラ４７は、電流モニタ４６の出力に応じて、各々のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の導通時間を制御する。なお、電流検知素子として抵抗Ｒを示したが、これに限定はされず、アクティブ素子による電流の検知も可能である。
【００２２】
定電流コントローラ４７は、パルス幅変調（ＰＷＭ）またはパルス周波数変調（ＰＦＭ）により、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の導通時間、すなわちＯＮ／ＯＦＦ時間の比率を変えることにより、ＴＥＣ４１の駆動電流の方向と電流量を制御する。駆動電流の方向と電流量とは、温度コントローラ４３からの誤差信号により決定される。定電流コントローラ４７の制御方法についてさらに詳しく説明する。
【００２３】
図５に、定電流制御回路の加熱制御を示す。温度コントローラ４３からの加熱制御を示す誤差信号が入力されると、最初に、定電流コントローラ４７は、図５（ａ）に示したように、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３をＯＮにする。図に示した矢印に沿って電源４４から電流が流れ、コンデンサＣを充電するとともに、ＴＥＣ４１を順方向に流れる。次に、定電流コントローラ４７は、図５（ｂ）に示したように、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４をＯＮにする。図に示した矢印に沿ってコンデンサＣとインダクタＬとに蓄積された電気エネルギーが解放される。
【００２４】
図５（ａ）と図５（ｂ）に示したように、スイッチング素子を切り替えることにより、ＴＥＣ４１の順方向に電流を流し続けることができる。このとき、定電流コントローラ４７は、抵抗Ｒの両端電圧からＴＥＣ４１を流れる電流を監視し、パルス幅変調（ＰＷＭ）またはパルス周波数変調（ＰＦＭ）により、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のＯＮ／ＯＦＦ時間の比率を変えることにより、温度コントローラ４３からの誤差信号に基づいた定電流を供給する。
【００２５】
図６に、定電流制御回路の吸熱制御を示す。温度コントローラ４３からの吸熱制御を示す誤差信号が入力されると、最初に、定電流コントローラ４７は、図６（ａ）に示したように、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４をＯＮにする。図に示した矢印に沿って電源４４から電流が流れ、コンデンサＣを充電するとともに、ＴＥＣ４１を逆方向に流れる。次に、定電流コントローラ４７は、図６（ｂ）に示したように、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４をＯＮにする。図に示した矢印に沿ってコンデンサＣとインダクタＬとに蓄積された電気エネルギーが解放される。
【００２６】
図６（ａ）と図６（ｂ）に示したように、スイッチング素子を切り替えることにより、ＴＥＣ４１の逆方向に電流を流し続けることができる。このとき、定電流コントローラ４７は、抵抗Ｒの両端電圧からＴＥＣ４１を流れる電流を監視し、パルス幅変調（ＰＷＭ）またはパルス周波数変調（ＰＦＭ）により、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のＯＮ／ＯＦＦ時間の比率を変えることにより、温度コントローラ４３からの誤差信号に基づいた定電流を供給する。
【００２７】
温度コントローラ４３は、温度センサ４２の出力電圧と設定された温度に対応する基準電圧とを比較して、その誤差信号を定電流コントローラ４７にフィードバックする。制御方法としては、公知の制御理論による比例積分（ＰＩ）制御、比例積分微分（ＰＩＤ）制御（例えば、特公平５−３６９５２号公報）などを適用することができる。
【００２８】
なお、温度制御の対象は、光送信器におけるレーザダイオードを例にして説明したが、集積回路などの他の回路素子にも適用できることはいうまでもない。
【００２９】
本実施形態によれば、スイッチング素子で構成されたＨブリッジにより、スイッチング・レギュレータの出力を制御するので、電力損失を抑えることができる。また、スイッチング・レギュレータと定電流方式を採用したことにより、ＴＥＣの定格電圧に制約されることがない。さらに、ＴＥＣに接続された１組のスイッチング・レギュレータにより制御回路を構成することから、定電圧方式と比較して小型化を図ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、温度制御の対象に熱的に結合された温度センサの出力電圧と、所定の温度に対応する基準電圧との誤差信号を出力する温度コントローラと、温度コントローラから出力された誤差信号に基づいて、温度調整素子を流れる電流を制御する定電流制御回路とを備えたので、低消費電力化を図るとともに、小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のリニア制御回路を示す回路図である。
【図２】従来のＰＷＭ制御回路を示す回路図である。
【図３】従来の定電圧制御回路を示す回路図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる温度制御回路を示す回路図である。
【図５】定電流制御回路の加熱制御を示す等価回路図である。
【図６】定電流制御回路の吸熱制御を示す等価回路図である。
【符号の説明】
１１，２１，３１，４１ＴＥＣ
１２，２２，３２，４２温度センサ
１３，２３，３３，４３温度コントローラ
１４，２４，３４，４４電源
３５，４５温度モニタ
３６電圧モニタ
３７定電圧コントローラ
４６電流モニタ
４７定電流コントローラ

Claims

温度制御の対象に熱的に結合された温度センサと温度調整素子とを用いて前記対象の温度制御を行う温度制御回路において、
前記温度センサの出力電圧と所定の温度に対応する基準電圧との誤差信号を出力する温度コントローラと、
該温度コントローラから出力された前記誤差信号に基づいて、前記温度調整素子を流れる電流を制御する定電流制御回路であって、
前記温度調整素子に流れる電流を供給するための電源と、
出力される電流の極性を切り替えるために、前記電源に接続された複数のスイッチング素子であって、前記電源の正極に一端が接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子、および前記電源の負極に一端が接続された第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子、
前記第１のスイッチング素子の他端および前記第３のスイッチング素子の他端に一端が接続されたインダクタンス素子、および
前記インダクタンス素子の他端に一端が接続され、前記第２のスイッチング素子の他端および前記第４のスイッチング素子の他端に他端が接続されたコンデンサ素子を有するスイッチング・レギュレータであって、前記コンデンサ素子の両端から出力が取り出されるスイッチング・レギュレータと、
前記コンデンサ素子の両端の間に、前記温度調整素子とともに直列に接続された電流検知素子と、
前記誤差信号および前記電流検知素子の出力に基づいて、前記スイッチング素子の導通時間を制御して、前記温度調整素子を流れる電流の方向と電流量を制御する定電流コントローラであって、前記第１のスイッチング素子を導通させ前記第３のスイッチング素子を非導通とした場合には、前記第２のスイッチング素子を非導通とし前記第４のスイッチング素子を導通させる時間と、前記第２のスイッチング素子を導通させ前記第４のスイッチング素子を非導通とする時間との比により、前記第２のスイッチング素子を導通させ前記第４のスイッチング素子を非導通とした場合には、前記第１のスイッチング素子を非導通とし前記第３のスイッチング素子を導通させる時間と、前記第１のスイッチング素子を導通させ前記第３のスイッチング素子を非導通とする時間との比により、前記温度調整素子を流れる電流量を制御する定電流コントローラとを含む定電流制御回路と
を備えたことを特徴とする温度制御回路。