תכנון בקר TEC בעל ביצועים גבוהים

Yang Zhang James Ashe, Analog

בקרת טמפרטורה
במערכות טלקומוניקציה אופטיות, דיודות לייזר משמשות לרוב בתור מקור האות במשדרים או בתור מקור האנרגיה במגברים האופטיים, והפעולה שלהן משפיעה ישירות על ביצועי המערכת כולה. רק בטמפרטורה קבועה, דיודות לייזר יכולות לפעול בצורה יציבה, אחרת אורכי-הגל במוצא ויעילויות ההספק שלהן ישתנו באורח דרמטי.
במיוחד, מערכות Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) משלבות מספר רב של קרני לייזר באורכי-גל שונים ומזריקות את קרן הלייזר המשולבת לתוך סיב יחיד. אורך-הגל של כל לייזר צריך להיות ממוקם באופן שווה בתוך חלון אורך-הגל בעל ניחות נמוך של הסיב, כך שמפענח אופטי בקצה השני של הסיב יוכל להבחין בכל קרן לייזר בין קרני הלייזר האחרות ללא ערב-דיבור. מאחר שאורך-הגל של קרן הלייזר משתנה עם טמפרטורת הלייזר, שמירה על טמפרטורה מדויקת ויציבה של הלייזר היא משימה קריטית עבור מערכות DWDM אלו.
במגברי Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFA), דיודות לייזר משמשות כמקור אנרגיה, המכונה לייזרי-משאבה (pump lasers). יש לשמור על טמפרטורת הלייזר  בערך קבוע כך שהספק הלייזר יהיה יציב והרעש מזערי.
בנוסף, רכיבים אופטיים פסיביים רבים המשמשים במערכות טלקומוניקציה, דוגמת מסננים או Array Wave Guides (AWG) הם רגישים לטמפרטורה שלהם. דרושה בקרה טובה על הטמפרטורות של רכיבים אלה כדי לייצב את הפרמטרים האופטיים שלהם.
לכן, בקרת הטמפרטורה היא משימה חשובה וקריטית בתכנון המערכות הטלקומוניקציה האופטית של היום.

TEC- מחולל החום/הקור
TEC – Thermoelectric Cooler, יכול להפיק הן חום והן קור על-ידי שימוש בתופעת Peltier. בהשוואה למחוללי חום/קור אחרים, ל-TEC יתרונות רבים: קל לשלוט על הטמפרטורה, ממדים קטנים, ללא רעש, ללא חלקים נעים, בעל חיים ארוכים ועוד. כל אלה חשובים וקריטיים עבור רכיבי טלקומוניקציה.
ל-TEC שני צדדים, כאשר מפעילים מתח DC עליו, וגורמים לזרימת זרם DC בכיוון אחד, אחד מהצדדים הללו יתלהט, והשני יתקרר; הפיכת המתח תגרום להפיכה של המעבר התרמי – הצד הראשון יהיה עתה קר והשני חם. למעשה, הצד ה”קר” וה”חם” כונו כך על-ידי יצרנים באופן שאם הזרם זורם לכיוון הסיומת החיובית של ה-TEC (הסיומת השנייה מצוינת כסיומת שלילית), הצד המתלהט מכונה “חם” והצד המתקרר מכונה “קר”. בדרך זו, צד אחד מכונה תמיד הצד ה”חם”, אף אם לעתים הוא משמש ליצירת “קור”. כנ”ל לגבי הצד ה”קר”. בד”כ, הצד בו שני תילי הסיומת מותקנים הוא הצד החם והוא מורכב לעתים קרובות על-גבי גוף קירור, בעוד הצד השני, הצד הקר, משמש לרוב להתקנת המטרה עליה יש לבקר את הטמפרטורה.
כאשר הוא מפיק קור, ה-TEC מרחיק את החום מהצד הקר לצד החם בשעה שהזרם זורם אל המסוף החיובי. ככל שהזרם גבוה יותר, כך כמות החום המועברת גדלה. במשך תהליך זה, נוצר חום בשני הצדדים. כאשר מעלים את הזרם לרמה מסוימת, החום המופק על-ידי הזרם בצד הקר משתווה לחום המועבר החוצה מהצד הקר, הטמפרטורה בצד הקר חדלה לרדת, כלומר הספק המוצא התרמי של ה-TEC מתאפס.
שניים מהפרמטרים העיקריים של ה-TEC הם הזרם המרבי והמתח המרבי. הם מוגדרים כ-: תוך קיצור תרמי של הצד החם והצד הקר של ה-TEC, הזרם הגורם לזרימה התרמית המרבית במוצא ה-TEC הוא הזרם המרבי. המתח על-פני ה-TEC בזרם מרבי הוא המתח המרבי.
כאשר זרם ה-TEC הוא פחות מהערך המרבי, ככל שהזרם גבוה יותר, יותר הספק תרמי מועבר אל העומס התרמי. כך שהטמפרטורה של התקן המטרה ניתנת לבקרה בעזרת הגודל והכיוון של הזרם העובר דרך ה-TEC.
ממדי ה-TEC נעים בין 2ממ’ x 2ממ’ x 1.5ממ’ עד ל-50ממ’ x 50ממ’ x 4ממ’. לרוב ל-TECs המצויים ברכיבי טלקומוניקציה ממדים מ-5ממ’ x  5ממ’ x 2ממ’ עד 10ממ’ x 10ממ’ x 3ממ’. ההספק התרמי במוצא נע בין 0.5 ואט עד 16 ואט. במערכות טלקומוניקציה, המתח המרבי של ה-TEC נע בין 1 וולט ל-5 וולט.
את הטמפרטורה על המטרה ניתן היה לשמור בגבולות של 0.00001oC בהנחה שכל מרכיבי המערכת הם אידיאליים. ביישומים של משדרים אופטיים, יציבות הטמפרטורה הדרושה היא מ-±0.02oC עד ±0.1oC, בתלות בלייזר ובדרישת הריווח של אורך-הגל. ביישומי EDFA, יציבות הטמפרטורה הדרושה היא בד”כ ±0.2oC עד ±0.5oC. לגבי רכיבים אופטיים פסיביים, תחום היציבות הוא רחב יותר: ±0.001oC עד ±5oC.
בקרת ה-TEC
איור 1 מראה את המרכיבים הפונקציונליים הבסיסיים הדרושים לבקרת TEC. המרכיב הראשון הוא חיישן טמפרטורה, המודד את הטמפרטורה והמותקן בצד הקר של ה-TEC. החיישן הנפוץ ביותר ברכיבי טלקומוניקציה הוא נגד רגיש לטמפרטורה, המכונה תרמיסטור. התנגדות התרמיסטור יורדת ככל שהטמפרטורה שלו עולה. התנגדות התרמיסטור מומרת למתח, המהווה טמפרטורת המטרה המדודה. מתח חיצוני, המייצג טמפרטורת נקודת הכיוון, כלומר טמפרטורת המטרה הרצויה, מושווה על-ידי מגבר אופרציונלי עם מתח טמפרטורת המטרה, ומפיק מתח שגיאה. מתח שגיאה זה מוגבר על-ידי מגבר בעל הגבר גבוה, המפוצה עבור איחור המופע הנוצר על-ידי המסה התרמית של המטרה והלוח מצד הקר של ה-TEC, ולאחר מכן הוא מפעיל את מוצא גשר ה-H. גשר ה-H בודק הן את הגודל והן את הכיוון של זרם ה-TEC. כאשר טמפרטורת המטרה היא מתחת לטמפרטורה המכוונת, גשר ה-H מוביל את ה-TEC אל כיוון וגודל מתאים כך שטמפרטורת המטרה עולה. כאשר טמפרטורת המטרה היא מעל טמפרטורת הכיוון, גשר ה-H יוריד את טמפרטורת המטרה על-ידי הקטנה או אף הפיכת הכיוון של זרם ה-TEC. כאשר לולאת הבקרה מתייצבת, גודל וכיוון זרם ה-TEC הם נכונים, וטמפרטורת המטרה זהה לטמפרטורה המכוונת.
לתרמיסטור יתרון של רגישות גבוהה, ממדים קטנים ועלות נמוכה. אולם עבור יישומים בעלי דיוק מוחלט גבוה, לתרמיסטור חסרונות של סחף גבוה לאורך זמן (±0.1oC בשנה) ושגיאות מוחלטות גבוהות (±1%). סוגים אחרים של חיישני טמפרטורה, דוגמת RTD, התקן מבוסס על נגד פלטינום, יכולים לשמש ביישומים הדורשים סחף נמוך יותר ושגיאות קטנות יותר.
בקרי TEC ניתנים לסיווג לפי צורת העבודה של הדרגה הסופית: צורה ליניארית וצורה ממותגת. בקר TEC ליניארי הוא פשוט לתכנן ולייצר אך יש לו המגרעות של יעילות הספק נמוכה מאוד, בין 20% ל-40%. לגשר H ממותג של בקר TEC יתרון של יעילות הספק גבוהה, אך הוא דורש שני סלילים להספק גבוה וקבלים של ESR נמוך כדי ליצור את מסנן המוצא. ADN8830, המיוצר על-ידי Analog Devices, Inc. משתמש בדרגה סופית בעלת מוד ליניארי אחד ומוד ממותג אחד בגשר ה-H. מבנה זה מקטין את רכיב הסינון בהספק גבוה הגדול בחצי, ובאותו הזמן, מעלה את יעילות ההספק עד לכ-90%. בנוסף, ה-ADN8830 מכיל את כל יחידות הבקרה המוצגות באיור 1, ומציע פיתרון בקר TEC בעל מעגל משולב יחיד.
בקרי TEC בעלי יעילות גבוהה תורמים יתרונות מרובים למערכת:
• מפיקים פחות חום – ומקלים על הצורך לסלק את החום החוצה.
• צורכים פחות הספק – מורידים את דרישות ההספק עבור ספק הכוח  ומפחיתים את העלות.
• פועלים בטמפרטורה נמוכה יותר-ומעלים את אמינות הבקר.
•אין צורך בגוף קירור – דבר המקטין את גודל המארז ואת העלות.

תכנון בקר TEC בעל ביצועים גבוהים
בקר TEC ממוטב צריך לכלול את השילוב הטוב ביותר של מפרטים עיקריים אלה: יציבות טמפרטורה גבוהה, יציבות הספק גבוהה, זרם גליות TEC (ripple) נמוך, ממשק וניטור נוחים, משטח כרטיס קטן, גילוי והתראה על כשלים ועלות נמוכה.  כדי להשיג תכנון כעין זה, יש לאמץ פשרות בין פרמטרים אלה אותם חייבים להבין ולנקוט.

תדר המיתוג
בחירת דרגה סופית של מוד מיתוג היא כורח להשגת יעילות גבוהה. יש לכוון נכון את תדר המיתוג. קביעת תדר מיתוג גבוה מאפשרת שימוש בסליל וקבל קטנים יותר במסנן המוצא, ובכך מפחיתה את העלות ואת שטח הכרטיס הדרוש. איור 2 מראה כיצד עלות המערכת יורדת ככל שתדר המיתוג עולה. איור 3 מראה כיצד שטח הכרטיס יורד ככל שתדר המיתוג עולה. אולם תדר מיתוג גבוה יותר יגרום לרעש EMI (הפרעה אלקטרו-מגנטית) יותר גבוה ויעילות הספק נמוכה יותר.

יעילות
כפי שצוין לעיל, יעילות גבוהה מביאה יתרונות רבים למערכת. אולם, לגבי בקר TEC במוד מיתוג, היעילות הגבוהה מושגת במחיר מסוים.
גורמים אחדים קובעים את היעילות. אלה הם תורמי הפסד ההספק המגבילים את היעילות:
• הפסד הספק הינע: זהו ההספק הדרוש כדי להזין את השערים של שני המתגים בדרגה הסופית של מוד מיתוג. הוא יחסי לתדר המיתוג, כלומר הפסד הספק ההינע יוכפל כאשר תדר המיתוג מוכפל. ניתן להורידו על-ידי הורדת  תדר המיתוג ו/או בחירת מתגים בעלי קיבול מבוא נמוך.
• הפסד עומס קיבולי במוצא הסליל וב-MOSFET המיתוג, כלומר הפסד הנגרם על-ידי הזנת קבל המוצא במוצא של דרגת מוד המיתוג. הפסד זה יחסי גם לתדר וניתן להפחיתו על-ידי שימוש בסליל קיבול נמוך במבוא ו-MOSFET בעל קיבול מוצא נמוך.
• הפסד בברזל. מורכב מהפסד ההיסטרזיס והפסד זרמי האדי (מערבולת) בליבת הסליל. עבור סליל הספק בעל תדר גבוה המשתמש בליבת פריט, שני הפסדים אלה הם נמוכים בתדרים של פחות מ-500 קילו-הרץ, אך עולים במהירות כאשר תדר המיתוג מתקרב ל-1 מגה-הרץ. בחירה של סליל המשתמש בליבת פריט לתדר גבוה עשויה להפחית ההפסד זה.
• הפסד Switcher Ron, ההפסד הנגרם על-ידי התנגדות המתג כאשר הוא מוליך את הזרם. שימוש ב-MOSFET בעל Ron נמוך יפחית הפסד זה.
• הפסד DCR של סליל המוצא. ההפסד הנגרם על-ידי התנגדות ה-DC של סליל הסינון במוצא כאשר הוא מוליך את זרם ה-AC וה-DC. שימוש בסליל בעל DCR נמוך יפחית הפסד זה, אך ממדי הסליל יעלו.
שלא כמו בארכיטקטורות מוצא ממותג המשתמשות בגשר H סימטרי לחלוטין, אסטרטגיות חדשות של תכנון מוצרים דוגמת זו המשמשות ב-ADN8830 TEC controller (בעל פטנט) של Analog Devices משתמשות בצד אחד של הגשר במוד ליניארי ובשני במוד מיתוג לשם יעילות מוצא גבוהה יותר. שילוב זה של דרגות ליניאריות ודרגות מיתוג מקטין את זרם הגליות במוצא פי שניים, מקטין את מספר הרכיבים החיצוניים, אך משפר את היעילות. בפעולה באותות גבוהים, דרגת המוצא במוד ליניארי תפעל ב’מוד מיתוג’, ברוויה אל אחד מפסי ההספק, בתלות באם ה-TEC פועל במוד חימום או קירור, כדי להגביר את היעילות. בפעולה באותות נמוכים, דרגת מוצא המוד הליניארי תפעל במוד ליניארי כדי לספק מעבר חלק בין מוד החימום ומוד הקירור. מרבית בקרי ה-TEC בשבב יחיד משתמשים ב-MOSFETs חיצוניים, הנותנים למתכננים את הגמישות להיענות למגוון רחב של דרישות של זרם ההובלה ובכל זאת למרב את היעילות.

יעילות ויציבות ארוכת-טווח
אילו התרמיסטורים היו התקן אידיאלי חופשי משגיאות, דיוק הטמפרטורה היה תלוי רק בהיסט של מבוא מגבר השגיאה.
יש לנתח שתי יציבויות טמפרטורה: יציבות לטווח קצר ויציבות לטווח ארוך. היציבות לטווח קצר מוגדרת כשינוי בטמפרטורת המטרה ביחס לשינוי בטמפרטורת הסביבה של בקר ה-TEC (ב-oC/oC). השינוי בטמפרטורת המטרה נובע מסחיפת מתח ההיסט במבוא שנגרמת עקב שינוי בטמפרטורת הסביבה. היציבות לטווח ארוך מוגדרת כשינוי בטמפרטורת  המטרה כנגד זמן (ב-oC/לשנה). כמו קודם, שינוי זה בטמפרטורת המטרה נובע משינוי מתח ההיסט בזמן, לעתים במהלך תקופה של שנים.
אם בקר TEC חד-שבבי משתמש במגבר בעל איפוס אוטומטי בכניסה עם מתח היסט בסדר גודל של 1V ואיננו נסחף בזמן או בטמפרטורה, הוא יכול להגיע לדיוק טמפרטורה סופי ויציבות לטווח ארוך יותר טובים מאשר ±0.01oC.

ביצועי רעש –  זרם גליות
הקטנה של תדר המיתוג מעלה את יעילות ההספק, היא גם מגדילה את זרם הגליות העובר דרך בקר ה-TEC אם קבל הסינון במוצא והסליל במוצא נשארים באותם הערכים. כדי להגביל את זרם הגליות מתחת לגבול מסוים, תדר המיתוג חייב להיות גבוה דיו ולכן חייבים להקריב חלק מיעילות בקר ה-TEC. איור 5 מראה שעבור זרם גליות נתון, ההשראה והקיבול הדרושים יורדים ככל שתדר המיתוג עולה.
עבור רוב היישומים, ערך סליל טיפוסי של 4uH יכול לעמוד בפחות מ-1% גליות מתח מוצא, עם זרם TEC קבוע של 1.5 אמפר ותדר מיתוג בברירת מחדל של 500 קילו-הרץ. בקרי TEC המתוכננים תוך שימוש בארכיטקטורה אסימטרית (דוגמת ה-ADN8830) יכולים להקטין את זרם הגליות עד כדי מחצית.

מיטוב רשת הקיזוז – יציבות לעומת מהירות תגובה
רשת הקיזוז משפיעה על מהירות התגובה ויציבות הטמפרטורה. כדי להשיג מהירות תגובה גבוהה, כלומר זמן ייצוב (settling) קצר ויציבות טמפרטורה גבוהה, על הרשת להתאים במדויק לעומס התרמי. אבל זה לא דבר קל. רשת קיזוז מותאמת במדויק משאירה פחות מרווח ליציבות לולאת הבקרה התרמית. רשת מקוזזת בצורה שמרנית גורמת לזמן ייצוב ארוך יותר אך היא יכולה לשאת יותר שינוים במאפייני המעבר התרמי בין זרם ההנע של ה-TEC בחיישן הטמפרטורה.
בקרי TEC חד-שבביים אחדים משתמשים ברשת קיזוז חיצונית, ודורשים רק מעט נגדים וקבלים. המתכננים יכולים לכוון את רשת הקיזוז לפי מאפייני העומס התרמי שלהם, בהשיגם על-ידי כך זמן ייצוב מיטבי וגבול היציבות.

פעולת רב-TECs – הממשק עם בקרי TEC אחרים
אפשר לצרף ביחד בקרי TEC אחדים כדי לבקר TECs מרובים – פעולה רבת-בקרים. יש צורך לסנכרן את תדרי המיתוג, אולם  שלבי המיתוג צריכים להיות משולבים. שילוב שלבי המיתוג עשוי למזער את מתחי גליות המיתוג המוטלים יל קווי הספקת הכוח.
בפעולת רב-בקרים, נוהל ההזנה יהיה עוקב. הפעל את בקר ה-TEC והמתן שהפין טמפרטורה מוכנה יעבור ל-TRUE, המראה שטמפרטורת המטרה שווה לטמפרטורת נקודת הכינון. לאחר מכן הפעל את ה-TEC הבא. בדרך זו, ספק הכוח לא יסבול קפיצות זרם גדולות. לכן פונקציות סנכרון התדר ובקרת שילוב השלבים יהוו בהחלט ערך מוסף עבור סוג זה של תכנון מערכת. הטמפרטורה מוכנה היא תכונה שימושית נוספת עבור כמעט כל היישומים.

בקרה, ניטור והגנה
אפשר להניח לבד את בקרי TEC  או לבקר ולנטר אותם בצורה נרחבת. הסקאלות של בקרה וניטור צריכות להיות מכוונות לפי צורכי המערכת. הפרמטרים המבוקרים לעתים קרובות הם: טמפרטורת המטרה, הזרם המרבי ב-TEC, כיבוי בקר ה-TEC וכד’. הפרמטרים שניתן לנטר הם: טמפרטורת המטרה, זרם ה-TEC, חיווי טמפרטורה מוכנה וכד’.
עבור פעולת מערכת אמינה, חשוב לקבל חיווי יעיל של כשלי מערכת. חשיבות מכרעת יש להגנה בפני קצרים או נתקים של התרמיסטור ושל ה-TEC. גם פונקציות הגבלת הזרם והגבלת המתח חשובות להבטחת מערכת אמינה.

סיכום
בקרת TEC מציבה בפני המתכנן אתגרים רבים. שבב מערכת מכיל את רוב הפונקציות הדרושות לשם בקרת TEC, ולכן הוא ממזער רבים מאתגרים אלה. באותו הזמן, הוא מקטין עלות ומקום על הכרטיס, מעלה את היעילות והאמינות, והתוצאה היא פונקציית בקרת TEC ממוטבת. בחירה נכונה של שבב בקרת ה-TEC תסייע למהנדס להשיג תכנון בעל ביצועים גבוהים.

איור 1-5