专利名称：一种用于大面积平面光波回路的控温方法及控温模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及温度控制技术领域，特别是一种用于大面积平面光波回路的控温方法及控温模块。
背景技术：
平面光波回路(PLCPlanar Lightwave Circuit)技术以其成本低、便于批量生产、稳定性好及易于集成等优点，被认为是未来密集波分复用光网络中非常实用化的技术。其中硅基SiO2光波回路技术具有与现有成熟的半导体工艺技术兼容性好、与光纤耦合效率高、成本低廉等优势，受到广泛重视。在硅基PLC中，中心波长以大约0.01nm/℃的速率漂移，要稳定中心波长就必须控制PLC的温度。研制控温范围大、稳定速率快、精度高的控温模块是提高PLC器件性能不可缺少的关键步骤。
在现代控制领域中，精密温度控制是最重要的研究课题之一。随着科学技术的飞速发展，各种行业对温度精度的要求越来越高，对温控系统稳定性要求越来越严格。而温度控制系统是变参数、有时滞和具有随机干扰的动态系统，往往很难得到满意的控制效果，而对于大面积平面光波回路以及大尺寸平面集成类的光无源器件来说，还有控温面积大，环境温度变化范围大，控温精度高，控温速率快，功耗低等特殊要求，实现的难度更高。
精密温控系统方面主要有传统的比例微分积分(PIDProportional-Integral-Differential)控制和基于计算机的智能控制模糊控制两种类型。PID控制是在温度控制过程中应用最广泛、最基本的一种控制方法。虽然控制理论和控制技术日趋完善和成熟，但目前大多数温度控制过程仍采用PID控制，采用高级控制技术的控制回路数只占10％左右。其原因是这种控制方法简单易行、稳定性好、可靠性高，能满足大多数控温的要求。而基于计算机的智能和模糊控制动态系统建模和分析的实质在于用具有算法结构的语言模型对不确定、大惯性、参数漂移大、并高度复杂的动态系统进行足够准确的定性和描述，然后根据模糊集合理论，模仿人的控制经验，运用模糊推理方法，根据输出直接映射出被控对象的控制量，其缺点是系统复杂，控制调节的过程繁琐，成本高，主要应用于一些比较复杂的温度控制系统中。
PID控制已足够满足大面积平面光波回路以及大尺寸平面集成类的光无源器件的控温要求，与智能和模糊控制系统比，更具有简单、易操作、体积小、功耗低、成本低等优点，因此本发明的控温模块是基于PID控制来设计制作的。
发明内容
本发明的目的是针对大面积平面光波回路以及大尺寸平面集成类的光无源器件的控温特点，并考虑到光通信系统阵列化、可扩充性的特点，在传统的PID控制的基础上设计了一种用于平面光波回路以及大尺寸平面集成类的光无源器件的控温模块。
用于大面积平面光波回路以及平面集成类的光无源器件和各种波导的控温方法，能使平面光波回路等光无源器件在稳定温度下工作，使其中心波长不至于随环境温度变化而发生漂移。
本发明的目的是这样实现的一种用于大面积平面光波回路的控温方法，包括如下步骤(1)对于面积较大的波导芯片采用多点测温的方式，根据模拟芯片表面的热场分布，安放多个测温点，根据各测温点温度均值来进行控温；(2)对于面积更大的波导芯片，对温度的均匀性要求更高或者由于通信系统扩展，多块芯片要求在相同温度下工作的情况可采用多块控制电路多点测温的方式，根据模拟的芯片表面热场分布，安放多个测温点和电热制冷片。
所述的大面积平面光波回路的控温方法，多个测温点采用多个热敏电阻用串联或者并联的方式测温。
控温电路具有可扩展性，扩展时应使各个电路的方波产生电路有一定的相位偏移，以避免相位相同时输出电流的纹波过大。
一种用于大面积平面光波回路的控温电路，主要由温差测量放大、比例微分积分控制回路、方波产生电路、脉宽调制电路、电流输出部分电路这五个部分组成，温差测量放大连接于比例微分积分控制回路和脉宽调制电路，脉宽调制电路通过驱动电路连接于电流输出部分电路。
一种用于大面积平面光波回路的控温模块，由控温电路、电热制冷片、散热片、及绝热外壳组成，绝热外壳用来减小外界温度对控制温度的影响。
所述的大面积平面光波回路，其面积大于1平方厘米、包括平面集成类的光无源器件和各种波导。
电流输出部分电路，采用H桥电路来实现电热制冷片的正向/方向导通，从而实现加热及制冷的作用。
所述的用于大面积平面光波回路的控温电路，多块控温电路扩展，通过主控温电路的方波产生电路同步输出端来扩展。
所述的用于大面积平面光波回路的的控温模块，电热制冷片、散热片及平面光波回路芯片的组合，均采用热导率较高的导热银胶粘结，并采用在平面法线方向的叠加(纵向排列)来尽可能缩小体积。
本发明提供一种用于大面积平面光波导以及大尺寸平面集成类的光无源器件和各种波导的控温模块，包括如下步骤(1)设计电路原理图。
控温电路包含在控温模块中，在控温模块测量温度过程中，控制温度。
一个完整的控温电路包括三个部分①一个精确的输入放大级来正确的测量目标温度和物体实际温度之间的差值。②一个补偿回路使控温稳定并能优化控温速率。③一个大电流输出级。因为输出电流较大，所以必须提高控温电路的效率，使因功率耗散产生的热最小。④对于平面光波导控温电路来说，它的供电电压应控制在4V以下，以避免较大的功耗提高控温的精确度，而且当温度达到目标温度时会有指示。
温差测量放大部分这部分由一个负温度系数热敏电阻(NTCRNegative Temperature Coefficient Resistance)和三个电阻构成的电桥以及运放组成。这三个电阻需要采用精密电阻，其阻值为NTCR在目标温度时的阻值。NTCR要与电热制冷片(TECThermoelectric Cooler)保持良好接触。当温度稳定在目标稳定值时，该部分对发光二极管(LEDLight Emitting Diode)提供一个高电平，使LED灯亮起。
PID控制部分这部分通过PID控制回路来控制脉宽调制(PWMPulse-Width Modulation)控制电路和一个线性放大电路。PWM控制电路用来控制MOS管驱动电路，MOS管驱动电路通过H桥电路来控制通过TEC电流的方向，使TEC产生加热、制冷的作用，而线性放大电路则控制通过TEC电流的大小。然后通过温差测量放大电路反馈回PID控制电路，形成一个反馈回路。通过这个反馈回路，最后使温度稳定在目标温度值。
方波产生电路包含在振荡器中，由振荡器产生方波。
电流输出部分TEC驱动电路采用H桥电路使输出电压的摆幅最大并实现TEC的正向反向通电。H桥电路采用低源漏导通电阻(RDS，on)的MOS管构成，这样可以提高电桥效率，降低功耗。驱动电路还要注意设置好导通与截止间的延时，防止同时导通发生短路而烧坏MOS管。要提高电路的控温效果，H桥电路的一端需要接入一个L-C滤波电路来滤除PWM方波开关频率，使驱动TEC的电压稳定。为了提高电桥效率，同样需要选择等效电阻(ESREquivalent Series Resistance)较小的电感。
(2)通过计算，选择合适的元件参数对电路进行模拟仿真。若仿真结果不佳则需要调整元件参数重复仿真，直到得到比较好的结果。
(3)根据电路原理图，设计印制电路版图(PCB)。本发明设计成双层板，按照印制电路板的布线原则，上层主要走信号线，下层主要是电源线和大面积的铺地，用模拟和数字分开，以避免数字信号对模拟信号的干扰。
(4)经过实验测量，进一步调整元件参数，得到最终结果。
(5)在散热片上用导热系数较高的导热银胶来粘合TEC，并在TEC上用银胶粘合一层铝片，并在铝片上开一个小槽，将热敏电阻置于槽内，并涂敷银胶以确保热敏电阻与铝片间良好的热接触。再在铝片上粘合PLC芯片，银胶要涂得均匀，并尽可能薄。之所以采用银胶，是因为普通的导热硅胶的导热系数只有0.5～2.0W/mK，成为散热的瓶颈，而银胶的导热系数约为20W/mK，远高于导热硅胶，能够极大的改善控温模块的散热、导热效果。在其上固定控温电路的PCB，并用螺钉固定牢固。
最后用绝热的塑料外壳封装起来，在PCB放置温度稳定LED指示灯处塑料外壳上留一个小孔安放LED指示灯，另外再取一个小孔作为电源线的接入，两个小孔作为光纤的输入输出接口。
(6)需要扩展时将主控温电路方波产生电路的同步输出端连接到从控温电路的方波产生电路的同步输入端，再使两者产生一定的相移。
下面结合附图和实例对本发明进行详细描述图1是多个测温点进行控温示意图。
图2是控温电路具有可扩展性的示意图。
图3是本发明的控温模块示意图。
图4a和图4b显示了实施例情况下的热场分布的模拟图。
图5是本发明的控温电路原理框图。
图6是本发明的控温电路中的H桥电路原理框图。
图7是本发明的实施例控温电路原理图。
图8是本发明的实施例印制电路版图。
图9是本发明的第2个实施例，采用多个热敏电阻多点测温示意图。
图10是本发明的第3个实施例，采用星型连接扩展示意图。
图11是本发明的第4个实施例，采用链状连接扩展示意图。
具体实施例方式
图3说明了整个控温模块的安装过程。首先在散热片上用导热系数较高的导热银胶来粘合TEC，并在TEC上用银胶粘合一层铝片，并在铝片上开一个小槽，将热敏电阻置于槽内，并涂敷银胶以确保热敏电阻与铝片间良好的热接触。再在铝片上粘合PLC芯片，银胶要涂得均匀，并尽可能薄。之所以采用银胶，是因为普通的导热硅胶的导热系数只有0.5～2.0W/mK，成为散热的瓶颈，而银胶的导热系数约为20W/mK，远高于导热硅胶，能够极大的改善控温模块的散热、导热效果。在其上固定控温电路的PCB，并用螺钉固定牢固。最后用绝热的塑料外壳封装起来，在PCB放置温度稳定LED指示灯处塑料外壳上留一个小孔安放LED指示灯，当温度稳定在目标温度值时，指示灯会亮起。另外再取一个小孔作为电源线的接入，两个小孔作为光纤的输入输出接口。要注意塑料外壳内与外部的隔热。
应特别注意热敏电阻与TEC的接触。TEC表面一般是陶瓷的，导热系数不高，容易产生温度不均匀的现象，所以需要在上面加装一层铝片。把热敏电阻置于小槽内并用导热银胶填充小槽是为了更好的热接触。假如热敏电阻与铝片热接触不好，而模块处于制冷状态，铝片已达到目标温度值，但由于热接触不好，热敏电阻的温度还没来得及降下来，其温度高于铝片，反馈到控温电路中认为并没有达到目标温度值，则模块会继续降温，使铝片温度降到低于目标温度；于是模块又需要加热，而热接触不好又会再次使温度高于目标温度，如此反复，使模块温度很难稳定下来。由此可见热敏电阻的灵敏度也需要尽可能的高，较为精密的热敏电阻的热时间常数小于200ms。热时间常数定义为热敏电阻在零功率状态下，当环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突变时，热敏电阻阻值变化63.2％所需时间。
同时也需要注意模块的散热问题。如果模块散热效果不好，在制冷的过程中会导致TEC的制冷面温度升高，反馈到控温电路使制冷电流进一步加大，从而导致TEC制冷面温度进一步升高，如此反复导致控温失效。
本实施例中PLC芯片为3×3cm，使用的TEC片为4×4cm，制作的PCB板为5×4cm，TEC表面的铝片和PCB板一样大，也是5×4cm，所用的散热片为7×6cm。
图4a和图4b显示了(控温模块)该实施例情况下的热场分布，可以看到稳态热场分布很均匀，整个PLC芯片温度一致性很好，具有良好的散热、导热效果。图4a是本发明的实施例控温模块制冷时的热场模拟图。
图4b是本分明的实施例控温模块加热时的热场模拟图。
图5表示了本发明控温电路的原理框图。一个完整的控温电路包括三个部分
1.一个精确的输入放大级来正确的测量目标温度和物体实际温度之间的差值。
2.一个补偿回路使控温稳定并能优化控温速率。
3.一个大电流输出级。因为输出电流较大，所以必须提高控温电路的效率，使因功率耗散产生的热最小。
另外，对于PLC控温电路来说，它的供电电压应控制在4V以下，避免较大的功耗，而且当温度达到目标温度时会有指示。
温差测量放大部分由一个负温度系数热敏电阻和三个电阻构成的电桥以及运放组成。这三个电阻需要采用精密电阻，其阻值为NTCR在目标温度时的阻值。
PID控制部分通过PID控制回路来控制PWM控制电路和一个线性放大电路。PWM控制电路用来控制MOS管驱动电路，MOS管驱动电路通过图6所示的H桥电路来控制通过TEC电流的方向，使TEC产生加热、制冷的作用，而线性放大电路则控制通过TEC电流的大小。然后通过温差测量放大电路反馈回PID控制电路，形成一个反馈回路。通过这个反馈回路，最后使温度稳定在目标温度值。在自动控制系统中，总希望在稳定的工作状况下有较高的质量，即控温速率快、超调量小、摆动次数少。调整PID控制回路的元件参数是一个难点，响应过慢时不存在过调现象，但到达目标温度所需的时间长，在光通信中就会产生很多误码，不符合光通信系统的标准；响应过快时则存在过调现象，会在目标温度附近阻尼振荡，同样需要较长时间才能到达目标温度，也是不可取的。因此需要不断的调整元件参数直至符合相应控制系统的评价标准。
H桥电路采用低源漏导通电阻的MOS管构成，这样可以提高电桥效率，降低功耗。MOS管驱动电路使Q1，Q4管导通实现TEC的正向供电；Q2，Q3导通的时候则反向供电；都截止时则停止供电。驱动电路还要注意设置好导通与截止间的延时，防止同时导通发生短路而烧坏MOS管。要提高电路的控温效果，H桥电路的一端需要接入一个L-C滤波电路来滤除PWM方波开关频率，使驱动TEC的电压稳定。输出纹波电流和电感参数、PWM占空比以及开关频率间存在一个关系式
ΔIL=VDD×D×(1-D)L×fCLK]]>ΔIL是纹波电流，VDD是控温电路供电电压，D是PWM方波的占空比，fCLK是方波的时钟频率。由于驱动TEC的电流较大，电感的最大电流至少需要达到1.5A，为了提高电桥效率，需要选择等效电阻较小的电感。通过选择合适的参数，实测通过TEC的电压纹波小于±0.5％。
采用更大功率的TEC会加大控温模块的控温范围，但是由此会引发两个问题。一是通过TEC电流的增大，会增加整个控温模块的功耗，从而需要解决整个模块的芯片的散热问题，以防止芯片过热而烧毁。更重要的是采用大功率的TEC会提高控温模块的控温范围和控温速率，但同时也使控温的精度降低，而控温的精度是光通信系统中比较重要的指标。需要通过控温范围、控温速率、控温精度以及功耗这四者的折衷考虑来选择合适功率的TEC。因为实际应用中温度变化较为缓慢，0～70℃的控温范围已满足绝大多数应用的需要，因此应选择满足上述要求的最小功率的TEC，以尽可能的提高控温精度。
图7和图8表示了在印制电路板设计软件Protel下设计电路原理图和最终的PCB版图。
实施例2当控温的芯片面积较大时，其温度均匀性并不像本发明一般实施例中表现的那么好，但是仍希望用一块控温电路来实现控温，此时可以采取如图9所示的多点测温的方式。热敏电阻应根据模拟的热场分布，在高温及低温点均匀摆放来获得芯片表面的真实平均温度。热敏电阻可以采取串联或是并联的方式。如图9所示，共采用了5个热敏电阻，如果采用的是串连的方式，则温度测量放大部分的三个精密电阻的阻值应改为原来的5倍；如果采用的是并联的方式，则那三个精密电阻的阻值应改为原来的1/5，这样即可根据芯片表面的平均温度来测温。
实施例3和实施例4当光通信系统扩展时，有其他的光波导芯片需要和原来的芯片控制在相同温度时，或是芯片面积较大，通过温度场模拟温度均匀性不好，达不到应用的要求时，这时需要采用图10和图11所示的方式来扩展控温电路。将主控温电路方波产生电路的同步输出端连接到从控温电路的方波产生电路的同步输入端，再使两者有一定的相位差，这样是为了避免有控温电路方波产生电路同时上跳，从而导致电源的供电电压产生额外的纹波，进而降低控温的精度。采用如图10所示的星型连接时，共有四个控温电路，应把三个从控温电路的方波产生电路的相位偏移分别设置为90°、180°和270°，这样四个控温电路的方波产生电路具有相同的相位差，可以使供电电源更加稳定。采用如图11所示的链状连接的时候，每个从控温电路的方波产生电路的相位偏移统一设置为90°，这样也能保证这四个控温电路的方波产生电路具有相同的相位差。
权利要求
1.一种用于大面积平面光波回路的控温方法，包括如下步骤(1)对于面积较大的波导芯片采用多点测温的方式，根据模拟芯片表面的热场分布，安放多个测温点，根据各测温点温度均值来进行控温；(2)对于面积更大的波导芯片，对温度的均匀性要求更高或者由于通信系统扩展，多块芯片要求在相同温度下工作的情况可采用多块控制电路多点测温的方式，根据模拟的芯片表面热场分布，安放多个测温点和电热制冷片。
2.如权利要求1所述的大面积平面光波回路的控温方法，其特征在于，多个测温点采用多个热敏电阻用串联或者并联的方式测温。
3.一种用于大面积平面光波回路的控温电路，其特征在于，控温电路主要由温差测量放大、比例微分积分控制回路、方波产生电路、脉宽调制电路、电流输出部分电路这五个部分组成，温差测量放大电路连接于比例微分积分控制回路和脉宽调制电路，脉宽调制电路通过驱动电路连接于电流输出部分电路。
4.一种用于大面积平面光波回路的控温模块，其特征在于，由控温电路、热敏电阻、电热制冷片、散热片、及绝热外壳组成，绝热外壳用来减小外界温度对控制温度的影响。
5.如权利要求3所述的用于大面积平面光波回路的控温电路，其特征在于，大面积平面光波回路，其面积大于1平方厘米、包括平面集成类的光无源器件和各种波导。
6.如权利要求3所述的用于大面积平面光波回路的控温电路，其特征在于，温差测量放大部分由一个负温度系数热敏电阻和三个精密电阻构成的电桥以及运放组成。
7.如权利要求3所述的用于大面积平面光波回路的控温电路，其特征在于，比例微分积分控制回路控制脉宽调制控制电路和一个线性放大电路，脉宽调制控制电路用来控制MOS管驱动电路。
8.如权利要求3所述的用于大面积平面光波回路的控温电路，其特征在于，电流输出部分电路，采用H桥电路来实现电热制冷片的正向/反向导通，从而实现加热及制冷的作用。
9.如权利要求3所述的用于大面积平面光波回路的控温电路，其特征在于，多块控温电路扩展，通过主控温电路的方波产生电路同步输出端来扩展。
10.如权利要求4所述的用于大面积平面光波回路的控温模块，其特征在于，电热制冷片、散热片及平面光波回路芯片的组合，均采用热导率较高的导热银胶粘结，并采用在平面法线方向的叠加来尽可能缩小体积。
全文摘要
本发明涉及一种用于大面积平面光波回路以及平面集成类的光无源器件和各种波导控温方法及控温模块。该模块采用多点测温以及多块控温电路组成阵列控温的方式，其控温电路部分制作在一块印制电路板上，主要由温差测量放大、比例微分积分控制回路、频率产生电路、脉宽调制电路、电流输出这五个部分组成，针对平面光波导等大尺寸光无源器件需要控温面积大、控温精度高、控温速率快、工作温度范围大、耗散功率小等特点对电路进行了优化设计。并在此基础上设计了一个控温模块，该模块体积小且有良好的散热导热效果。
文档编号H04J14/02GK1967427SQ200510086900
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者吴黎, 韩培德, 全宇军, 陆晓东, 叶志成 申请人:中国科学院半导体研究所