Микросхема DIO8833 производства Dioo Microcircuits - интегральное решение для прецизионного управления температурой лазера
Бурное развитие таких высокотехнологичных областей человеческой деятельности, как искусственный интеллект и big data, требует существенного увеличения пропускной способности каналов передачи информации. В настоящее время большинство из них - оптические, их скорость и дальность передачи данных определяются рабочей частотой и мощностью источника лазерного излучения. Обе характеристики существенно зависят от текущего температурного режима лазера, в связи с чем построение качественного канала связи со стабильными параметрами требует стабилизации температуры лазерного модуля. Это особенно актуально для больших центров обработки данных, где скорость передачи информации может достигать 400, 800 и даже 1600 Гбит/с.
При таких больших скоростях обмена точность установки температуры лазерных излучателей должна быть крайне высокой, чего можно достичь лишь при использовании элементов Пельтье (также называемых термоэлектрическими охладителями, или TEC). Их важной особенностью является возможность не только охлаждать, но и нагревать лазерный модуль, благодаря чему и достигаются отличные регулировочные характеристики системы управления. Кроме того, использование TEC позволяет избавиться от вентиляторов и других охладителей, в состав которых входят движущиеся части, что делает управляющий узел гораздо более надежным, компактным и абсолютно бесшумным.
Однако следует понимать, что управление элементами Пельтье представляет собой сравнительно сложную задачу и требует большого количества дискретных элементов, таких как силовые транзисторы моста, датчик тока, компараторы, усилители и так далее. Это приводит к тому, что управляющий узел становится достаточно громоздким, сложным в настройке, а также менее надежным в работе. Для решения этой задачи компания Dioo Microcircuits Co., Ltd. выпустила специализированную микросхему DIO8833 в миниатюрном корпусе QFN-16-2×3mm, представляющую собой интегральный драйвер элемента Пельтье со встроенными силовыми транзисторами, управляемый по стандартному интерфейсу I2C. Она делает узел управления лазерным модулем гораздо более компактным, надежным и простым в использовании.
Основные характеристики микросхемы DIO8833
На рисунке представлена внутренняя структура драйвера DIO8833 с подключенными к нему внешними силовыми элементами.
Как следует из данного рисунка, непосредственное управление TEC осуществляется при помощи двух силовых узлов (выделенных зеленым цветом). В состав каждого из них входят два полевых транзистора разного типа и их драйвер. Узел, изображенный вверху схемы, работает в непрерывном режиме: при необходимости охлаждения лазерного модуля полностью открывается P-канальный (верхний) ключ, в противном случае – N-канальный (нижний). В результате этого в первом случае ток через вывод VOL вытекает из микросхемы в нагрузку (режим Source), а во втором – движется в обратном направлении (режим Sink). Нижний силовой узел работает в импульсном режиме: при необходимости охлаждения лазера протекание тока через элемент Пельтье обеспечивается за счет N-канального транзистора, а для нагревания – за счет P-канального. Регулировка температуры элемента Пельтье осуществляется при помощи нижнего узла: изменение коэффициента заполнения управляющих импульсов на выходе его драйвера приводит к уменьшению или увеличению напряжения на TEC, результатом чего является изменение температурного режима лазерного модуля.
Текущее значение напряжения на элементе Пельтье VTEC = VOL – VOS задается при помощи аналогового сигнала VCTL, подаваемого на вход CTL. При этом для возможности стабилизации температурного режима лазера при формировании напряжения VCTL должно учитываться не только требуемое значение температуры, но и сигнал, полученный с термодатчика TEC и пропущенный через контур обратной связи. В зависимости от конкретной реализации управляющего узла, напряжение, подаваемое на вход CTL, может быть сформировано либо аппаратным, либо программным способом.
В первом случае учет сигнала обратной связи осуществляется при помощи дифференциального или инструментального усилителя, а уставка VIN, задающая требуемую температуру, является просто постоянным напряжением, которое может формироваться либо потенциометром, либо при помощи микроконтроллера (МК) посредством ЦАП (DAC) или ШИМ. Во втором случае сигнал с термодатчика TEC приходит на МК напрямую, поэтому его учет осуществляется программно при помощи соответствующих обрабатывающих алгоритмов.
В регулируемой области зависимость напряжения VTEC от сигнала VCTL является линейной и может быть описана формулой: VTEC = –5 × (VCTL – 1,25 В)
По достижении напряжением VTEC предельного значения VLIM, задаваемого пользователем с помощью интерфейса I2C, возможность регулировки температуры элемента Пельтье пропадает. Пороговым значением, при котором происходит переключение с охлаждения на нагревание и наоборот, является VCTL = +1,25 В.
При этом следует отметить высокую линейность напряжения на элементе Пельтье и отсутствие на нем выбросов или провалов при переходе через пороговое значение VCTL, а также в области его максимальных и минимальных значений.
Чтобы предотвратить первоначальный бросок тока во время включения питания, а также устранить выбросы напряжения на TEC после активизации силового каскада, микросхема DIO8833 реализует поэтапный процесс запуска, обеспечивающий контролируемое и безопасное нарастание напряжения на нагрузке.
На первом этапе (фаза Discharge) выводы драйвера VOL и VOS замыкаются на общий провод при помощи внутренних резисторов с сопротивлением 300 Ом для устранения остаточного заряда, который может присутствовать на элементе Пельтье. По прошествии интервала времени DIS_TIME производится проверка напряжения на обоих выводах, и если оно ниже 0,4 В, драйвер переходит на следующий этап запуска. В противном случае первый этап повторяется до тех пор, пока не будет выполнено условие его завершения.
На второй фазе запуска драйвера (1st Soft-Start) напряжение на выводах VOL и VOS постепенно нарастает до уровня VMID, зависящего от напряжения питания VIN (VMID = +2,5 В при VIN > +4,0 В, в противном случае VMID = +1,5 В). При этом верхний и нижний силовые узлы активны, однако потенциалы на их выходах устанавливаются одинаковыми, поэтому напряжение на элементе Пельтье равно нулю, и его температура не меняется.
После достижения уровня VMID микросхема переходит к завершающему этапу запуска (2nd Soft-Start). Он характеризуется разной скоростью нарастания потенциалов на выводах VOL и VOS, в результате чего по завершении временно́го интервала SS_TIME напряжение на элементе Пельтье достигнет значения, определяемого сигналом на входе CTL.
| Обратите внимание на то, что длительность каждого из трех этапов запуска драйвера DIO8833 может быть запрограммирована пользователем посредством шины I2C. |
Микросхема предоставляет пользователю возможность контроля текущего напряжения на нагрузке, а также тока, протекающего через TEC. Мгновенное значение требуемого параметра считывается в аналоговом виде с вывода драйвера XTEC, а тип выводимых на него данных (тока/напряжения) может быть задан посредством интерфейса I2С. Полученное мониторное значение пересчитывается в реальный ток или напряжение при помощи несложных линейных формул, после чего оно может быть использовано для внутренних потребностей системы, например, для косвенного определения температуры элемента Пельтье.
DIO8833 обеспечивает достаточно высокую точность мониторных величин при идеальных условиях: в случае тока погрешность выдаваемого значения не превышает ±1%, а в случае напряжения она будет ниже ±5%.
Коэффициент полезного действия драйвера TEC зависит как от тока, протекающего через элемент Пельтье, так и от его импеданса, который изменяется в процессе работы системы в зависимости от температуры охладителя. В случае микросхемы DIO8833 максимальная эффективность драйвера будет наблюдаться при выходных токах выше 600 мА.
При этом вполне оправданным является применение рассматриваемого драйвера даже при токе нагрузки, равном 200 мА, где коэффициент полезного действия не падает ниже 80%. При дальнейшем уменьшении выходного тока эффективность работы DIO8833 быстро снижается, а в области малых нагрузок она падает практически до нуля.
Также стоит отметить наличие большого количества интегрированных в драйвер DIO8833 защит от:
- повышенного напряжения на нагрузке (двухуровневая);
- повышенного тока нагрузки (двухуровневая);
- повышенного (OVLO) и пониженного (UVLO) напряжения питания;
- перегрева (OTP).
Это делает узлы управления, собранные на базе микросхемы DIO8833, надежными и безопасными. Первый уровень каждой из двухуровневых защит устанавливается пользователем и используется в нормальном режиме работы системы. Второй является аварийным, и его достижение незамедлительно переводит драйвер в режим с периодическим включением-выключением (Hiccup Mode Protection).
При переходе в данный режим выходной силовой каскад немедленно отключается, а выводы VOL и VOS замыкаются на общий провод через внутренние разрядные резисторы номиналом 300 Ом. По истечении 25 мс драйвер измеряет напряжение на выводах нагрузки, и если хотя бы одно из них превышает 400м В, это указывает на наличие неисправности, например, на остаточный заряд или замыкание на питающую линию. В этом случае запускается новый цикл 25-миллисекундного ожидания, после которого процесс контроля повторяется. Если значения обоих напряжений составляют не выше 400 мВ, драйвер активизирует выходной каскад и выполняет проверку тока нагрузки на превышение установленного значения. В случае успешной проверки микросхема продолжает нормальный трехэтапный процесс запуска, описанный выше. В противном случае выходной каскад снова отключается, после чего начинается новый интервал ожидания, длящийся 25 мс.
По продукции DIOO вам также ответят наши специалисты:
ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ
или свяжитесь с нами: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20
Вся линейка продукции Dioo Microcircuits представлена в каталоге ЮниРЭК:
LCD-OLED драйверы
LED-драйверы
TEC контроллеры
Аналоговые ключи
Аналоговые ключи / мультиплексоры
Видео драйверы
Датчики тока
Детекторы напряжения
Диммеры
Драйверы IGBT/MOSFET транзисторов
Драйверы электродвигателей
Защита Li акумуляторов
Импульсные DC-DC преобразователи
Компараторы
Контроллеры GaN
Контроллеры Power Delivery
Контроллеры заряда батарей импульсные
Контроллеры заряда батарей линейные
Линейные регуляторы напряжения LDO
Операционные усилители
Переключатели нагрузки
Преобразователи уровней
Синхронные выпрямители
Формирователи сигнала сброса