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一、 为什么会光模块会用到TEC？
作为激光器衬底材料之一的TEC，配合NTC热敏电阻和微处理器MCU，最终可以使得激光器在全温范围内都保持情绪稳定（温度恒定，则激光器发光大小和波长都能恒定）。下图是带TEC的DFB+mPD TO56内部结构图，可见LD和热敏电阻都是die bonding在L型钨铜导热块上的，而钨铜导热块又是架在TEC上面的，从而形成一个紧密联系的共热体。

注意，上图的有很多跟柱子的灰色结构体，就是TEC。另外还出现了一颗NTC（Negative Temperature Coefficient）热敏电阻器，其阻值随温度上升电阻呈指数关系减小。下图显示了负温度系数(NTC)热敏电阻在温度范围内的阻抗。

由于它与温度具有相关性，因此可将其连接为分压器，从而将温度转换为电压。典型连接如图所示。

图 1 NTC连接为分压器

当RTH随温度而变化时，VFB也会变化。增加一个Rx与热敏电阻串联，便可相对于VREF将温度电压传递函数线性化，如图所示。

已知，激光器上电后会产生不可逆的热量，自身温度就会跟着漂移，站在旁边的NTC热敏电阻的阻值也会跟着变。但是我们希望控制激光器温度到一个恒定值，不然激光器的波长和斜效率就都飘了。所以我们的目的就是控制激光器温度不变，反映出来就是与激光器精密耦合的R3的阻值要保持不变。则MCU的ADC通过采样分电压值，就可以知道R3电阻值是否有变化。如果R3阻值与我们预期值不一样，那么我们可以通过MCU的DAC输出来控制TEC控制器的电压控制管脚VCTL来做闭环控制。

二、 TEC制冷模式，是控制电流从TEC+流向TEC么？
在信息爆炸的时代，必须保持谦虚谨慎，兼听则明的态度，多探讨多交流，才能把别人的know how变成自己的正确理解。
最开始我对SGM41296这颗TEC driver的理解，来自于以“SGM41296”为关键词搜到的一篇技术论坛的留言，http://www.51hei.com/bbs/dpj-198346-1.html，如下截图：

但仔细推敲上文，应该能发现，item1和itme4居然是自相矛盾的。因为从SGM41296的datasheet我们可以知道：
VTEC = VVOL-VVOS；
= -5 × (VCTL - 1.25V)；
SGM41296输入端VTRL和输出端VTEC的曲线图如下：

如果该网帖的item1成立，即“当VTEC >0就致热，VTEC <0就制冷”，那么网帖的item4的“当CTL管脚电压>1.25V就致热”说辞，就矛盾了，因为显然当CTL管脚电压>1.25V时，VTEC就是负值，按照item1的说法就应该制冷了呀。
但不可否认的，对于第一次接触TEC控制的小白而言，该网贴答主的大部分文字是正确的，通俗的，对小白友好的。

恰巧徒弟发来了一篇我老东家的关于TEC控制器的发明专利，可加深理解：https://wenku.baidu.com/view/8229237969ec0975f46527d3240c844768eaa009.html?wkts=1724290586317&needWelcomeRecommand=1，文中提到：现有的半导体制冷器驱动电路(TEC driver)利用双通道DC-DC转换芯片，如下图所示，TEC的正负两端分别连接下图TEC+和TEC-，通过控制两路数模转换 DAC0 和 DAC1输出电压的大小，分别控制双通道 DC-DC转换芯片两个通道输出端SW1和SW2的输出电压的大小，从而可控制流过TEC的电流方向和电流大小，达到控制 TEC切换制冷和制热工作状态和控制制冷制热功率的目的。

该专利指出：当SW1输出电压大于SW2输出电压时(SW1工作在输出电流状态，SW2工作在吸收电流状态)，电流从 TEC+流向TEC-，此时TEC工作在制冷状态；当SW1输出电压小于SW1输出电压时(SW1 工作在吸收电流状态，SW2工作在输出电流状态)，电流从TEC-流向TEC+，此时TEC工作在制热状态。
感觉有点靠谱了，于是我当机立断决定在早高峰的地铁上，应用微信纠缠上了TEC原厂辽宁冷芯的研发王工，试图从TEC根源上弄清楚真相。王工先是发来了3D模型标注了管脚定义和热面冷面的截图，注意看中间的柱子是碲化铋半导体颗粒：

以及P型和N型碲化铋通电后的制冷原理：
N型半导体：
载流子：N型半导体主要的载流子是电子。N型碲化铋通过掺杂使得自由电子的浓度增加，当外加电场（电流）作用时，电子会从负电极移动到正电极。
热效应：当电流通过N型碲化铋时，电子从较高的能量状态跳跃到较低的能量状态，释放热量到环境中，导致材料的另一端吸收热量（即降温）。
P型半导体：
载流子：P型半导体主要的载流子是空穴。P型碲化铋通过掺杂使得自由空穴的浓度增加，当外加电场（电流）作用时，空穴会从正电极移动到负电极。
热效应：当电流通过P型碲化铋时，空穴从较低的能量状态跳跃到较高的能量状态，这一过程需要吸收热量，导致材料的另一端释放热量（即升温）。
当然了，这么一大段，对小白还是不够友好，故王工又发来动图帮助理解：

看视频我依稀感觉是当电子从电池负极流出来，与TEC-的P型碲化铋的空穴结合，就制冷了。视频还显示，TEC+焊盘的接N型碲化铋颗粒，TEC-焊盘的接P型碲化铋颗粒。N型碲化铋颗粒是接到电源正极的，这意味着TEC+到TEC-的电压，就是电源电压，此刻电流是从TEC+流向到TEC-的（注意电子的运动方向和电流方向是反起的），是在制冷。
于是我和王工达成了共识，当然我也找九洲研发问了它的TEC原厂广东富信，是一致的：
1，TEC+通常接N型颗粒，TEC-通常接P型颗粒；
2，当电流从TEC+流向TEC-时是制冷，反之制热；
3，micro-TEC为了有更好的散热，一般是热面比冷面的面积更大一些。

不建议读者点开这个做NTC热敏电阻的原厂官网的一篇技术文章的链接：https://www.exsense.com.cn/1/show/383.html，我感觉它的插图会有误导性，我已经加了该公司主页上的联系人微信告知此事。除非它在文中增加一句表述，即图中处于下表面的热沉面，是承载需要温控的对象的那一面；否则这个插图的电源极性和TEC制冷方向相悖了。

https://blog.csdn.net/WangWill111111/article/details/135616595，这个帖子的图，更准确，更形象，更易于理解：

该贴指出：TEC热电制冷器的组成包括内部半导体P极、半导体N极和导电金属，以及顶层底层温度交换用的陶瓷基板所组成。单个热电制冷对的制冷能力有限，TEC一般有十几到几十个制冷对组合而成。通过控制电流方向，TEC既可以制冷又可以制热，实现优于0.1℃的温度控制稳定性。

附件是冷芯和富信TEC规格书：

要解答时制热还是制冷，建议换个角度看问题，把TEC视为一个PN结，当PN正偏时，电路轻松导通，考试遇到送分题，头脑就容易发“热”；当PN反偏时，电路难以导通，媳妇儿问我和你妈同时掉水里你先救谁，这是送命题啊，头脑就瞬间“冷”静下来。

三、 TEC控制器比如SGM41296，如果TEC+接到VOL管脚且TEC-接到VOS管脚，当VCTL<1.25V时VTEC>0则TEC是制冷还是制热？
SGM41296是TEC驱动芯片，用于调节目标TEC工作温度。SGM41296本质上是由4颗MOS管构成的H桥电路（并附加了很多保护机制），桥中间站着TEC，用户通过SGM41296的CTL管脚电压VCTL去控制TEC两端管脚电压差VTEC，如果TEC+接到VOL管脚且TEC-接到VOS管脚，则当VCTL<1.25V时VTEC>0则TEC制冷，否则当VCTL>1.25V时VTEC<0则就制热。
下面是圣邦微公司的TEC驱动器芯片SGM41296的典型应用图，和MPS公司的MP8833A的应用图如出一辙，也不知道是谁抄谁的了。

二、温控过程
这需要参考SGM41296的内部电路框体。

以H桥驱动电机为例，4个MOS管的导通情况如下：

1. Q1和Q4导通情况下，电动机的左引线将连接到电源，而右引线则接地。电流开始流经电动机，从而正向通电，电机左右电压差是Vbat，电动机轴开始全速旋转。电流经过情况如图所示:

该图的基础上，如果在电机右端的Q4输入50%占空比的PWM（脉冲宽度调制）波形，则电机左右电压差是将不再是Vbat而是小于Vbat，则电动机转速将降低。如图所示：

2. Q2和Q3导通情况下，电动机的左引线将连接到地，而右引线则接电源。电流发生了反向，电动机反向通电，并且轴将开始反向旋转。电流经过情况如图所示:

3. Q1和Q2导通，或者Q3和Q4导通情况下，跳过了负载，就相当于在电源和地之间创建了一条真正的低电阻路径，从而使电源短路。这种情况的发生会快速破坏H桥或电路中的其他元器件。电流经过情况如图所示:

优化后的H桥，采用两颗PMOS和两颗NMOS管构成。P 型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭；N 型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。控制臂 1 置高电平（U=VCC）、控制臂 2 置低电平（U=0）时，Q1、Q4 关闭，Q2、Q3 导通，电机左端低电平，右端高电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机反转。此电路的一个优点就是无论控制臂状态如何（绝不允许悬空状态），H桥都不会出现“共态导通”（短路）。

SGM41296采用的就是这种结构，电流从VIN到PGND。栅极电压控制MOS管导通到Vin，而栅极电压受CTL端电压的控制。如图所示：

下图展示了制冷或制热时的电流流向：

前面说了制冷和制热，但是没有说是制冷和制热的程度，我们制冷是要产生南方程度的冷呢，还是要产生北方程度的冷。解释这个之前还是拿电机举例说明。对于普通的直流电机，在电机两极上接上合适的直流电源后，电机就可以满速转动，电源反接后，电机就反向转动。如果我们需要电机工作在不同的转速下，那么我们改变直流电源的电压也就是改变了电机的转速。以24V直流电机为例，在电机两端接上24V的直流电源，电机会以满速转动，如果将24V电压降至2/3即16V，那么电机就会以满速的2/3转速运转。而电机两级电压可以通过PWM进行改变，PWM波满足伏秒积公式为U红(幅值) × 占空比 = U蓝，作用效果与直流电压一样。如图所示：

回到SGM41296来说，SW加入PWM信号即可控制TEC两端的电压发生变化。TEC两端电压改变，流经TEC的电流也就改变了。流过TEC的电流改变了，TEC传输的热量也就改变了。如图所示：

到目前为止，回顾下讲解了的部分：热敏电阻的阻值与温度成反比，当配置为分压器时，可利用它来将温度转换为电压。TEC控制器将该反馈电压与代表目标温度的基准电压进行比较，然后控制流经TEC的电流，从而调整TEC传输的热量。
前面提到“PWM波作用效果与直流电压一样”，这个是结论，解释过程比较复杂，涉及了BUCK电源的CCM模式。
CCM (Continuous Conduction Mode)连续导通模式：在一个开关周期内，电感电流不会等于0。或者说电感从不“复位”，意味着在开关周期内电感磁通从不回到0，MOS管断开时，线圈中还有电流流过。如图所示：

MOS管相当于一个开关，当MOS管导通时，二极管D反向偏置而截止，二极管电流ID=0，输入电压经过电感给负载RL供电，同时电感和电容储能，电感电流IL逐渐增大，如图所示：

在将MOS管断开时，MOS管电流IT=0，电感由于自身的自感电动势，通过二极管D续流，继续给负载RL供电，电感电流IL逐渐减小，如图所示：

注：工作过程中，开关管以很高的频率（一般为几十KHz到MHz的量级）不断地重复开通和关断。
MOS管相当于一个开关，所以这里用开关代替MOS管，方便描述。CCM模式下的各波形如图所示：

在开关闭合期间，开关管电流IT从某个不为0的值开始上升，直到开关断开时达到最大值。根据公式U=L*dI/dt可得，电流变化率dI/dt=U/L，因此开关闭合期间内的电流变化率为（Vin-Vout）/L，在此期间二极管电流ID为0；在开关断开期间，二极管电流ID开始下降，直到开关闭合时达到最小值，同理可得电流变化率为Vout/L，在此期间开关管电流为0。在整个开关导通和关断的周期内，开关管电流IT和二极管电流ID组合起来就是电感的电流IL。
在开关闭合期间，SW点的电压等于输入电压Vin；在开关断开期间为0（忽略二极管和MOS管的压降）。开关闭合期间，电感左端为输入电压Vin，电感右端为输出电压Vout，因此电感两端电压为（Vin-Vout）；在开关断开期间，电感左端电压为0，右端为输出电压Vout，电感两端电压为（-Vout）。
根据能量守恒，在稳态条件下，电感两端电压在一个开关周期内的平均值为0，即伏秒平衡原理。如图所示：

根据伏秒平衡原理，CCM模式在稳态情况下，MOS管导通周期D*T内，电感电压为（Vin-Vout）；MOS管断开周期（1-D）*T内，电感电压为Vout，前后两者乘积相等，即：
（Vin-Vout）DT=Vout（1-D）T，
其中，D为占空比，T为开关周期，Vin为输入电压，Vout为输出电压，可以得到：
Vout/Vin=D。
由此可见CCM模式下传递函数等于占空比，且和负载电流无关。这不就相当于PWM波形了嘛。
以上过程就解释了这句话：“PWM波作用效果与直流电压一样”。但是开关引脚的电压波形，在开关管闭合和断开时，都有一个很大的尖峰，对应的电流波形也会有类似的情况。这是因为当MOS管从断开到导通状态时，正在导通的二极管突然被加上反向电压，在这瞬间会产生非常大的反向恢复电流，也就是会产生较大的diD/dt。不仅如此，二极管或者MOS管的寄生电容，以及电路的寄生电感共同造成尖峰。寄生电感不能瞬变的电流对电容进行充电造成电压尖峰和电流尖峰，而振荡是由于电感电容LC谐振造成的。所以该电路的参数选择很重要。先简要算一下CCM模式里面电流和纹波：

然后就针对datasheet来说，该电路电感L的计算公式：

其中的 VOUT 是输出电压，VIN 是输入电压，fSW 是工作频率，ΔIL 就是电感电流纹波。工作频率和纹波等受影响因素比较多，所以我这里是参照的datasheet。1.5μH到3.3μH电感在fSW = 1MHz开关频率的大多数应用中工作良好。ΔIL为电感器纹波电流。它通常被选择为大约为满载电流的35%。
以上，就说完了datasheet的H桥部分。

接下来简要解释一下SGM41296的VOL和VOS，我们知VCTL与VTEC会呈现一种线性关系，如图所示：

TEC电压表示为：VTEC = -5 × (VCTL - 1.25V)；其中，VTEC=VVOL-VVOS。
所以当VVOL不变，通过PWM改变VVOS的电压，也就改变了VTEC。注意在实际电路中，VOL接TEC+，VOS接TEC-。这意味着电流从TEC+流向TEC-就制冷，电流从TEC-流向TEC+就制热。实验数据也是支持的。

如果VOL电流上升，达到其第一电流限制，VOL电压不会改变但VOS输出电压将调节，VTEC电压不增加，以保持TEC电流限制在第一个限制。
如果发生一个大的VOL过流故障，如短路到VIN或GND，VOL电流迅速上升，超过第二个电流限制。此事件会立即关闭电源阶段，并开始打嗝模式。但是如果VOS输出达到其当前极限，电源阶段将在100µs确认延迟后进入打嗝模式。以上部分在datasheet里面有详细说明，这里不再赘述。

四、 搭配出现的NTC热敏电阻，该如何计算其不同温度下的阻值？
这里我们来看看NTC热敏电阻的datasheet，尝试将LD目标波长对应的50℃时该电阻的阻值给计算出来，进而可以结合分压电路图计算出50℃时目标分压值来。
这里是九洲封装的25GSPON ONU LD TOCAN内部的NTC热敏电阻的规格书，是厦门博晶光电技术有限公司出品的DT103H3930A-G-B-M，同时附上Muruta的规格书：

其中，从规格书的电气性能章节，我们可以知道厦门博晶NTC电阻的几个重要的参数：

就有：
1，25℃时的电阻值R0=10kΩ；
2，B=3930K

然后，从Muruta的一个NTC规格书，可以看到一个电阻值的计算公式：

所以有公式：
R(t) = R(25℃) * exp(B*(1/T(t)-1/T(25℃))，
注意这里的T()是开尔文温度=摄氏度值-(-273.15)，单位K。
来计算一下R(50℃) = R(25℃) * exp(B * (1/T(50℃)-1/T(25℃))
= 10000 * EXP(3930 * (1/(50-(-273.15))-1/(25-(-273.15))))
= 3606.852Ω = 3.607kΩ
完美匹配NTC规格书数据：

但是遗憾的是，R(-40℃) = R(25℃) * exp(3930 * (1/T(-40℃)-1/T(25℃))
= 10E3 * EXP(3930 * (1/(-40-(-273.15))-1/(25-(-273.15))))
= 394414.2398Ω = 394.414kΩ
这就和NTC规格书数据有了显著差异：

我知道，无论如何，也没有人会把TEC用到-40℃去。但这并不能搪塞，R-T表的-40℃对应的电阻值数据，就可以和计算公式严重不符。我年轻时，绝对不会自己去拉一张excel表来核对原厂规格书的数据，还洋洋得意于难得糊涂。但是现在上了年纪，就开始动死脑筋了，开始自己计算数据，发现有差异就坚持想得到一个合理解释。
原厂解释来了：
问题1：RT表是实测的吗?
答：我们的 RT表，主要温度点(-40 -20 0 25 50 80100度)是实测，其他点是拟合推导的。
问题2：客户计算的 R-40和RT表中的数值不一致?
答：NTC的 RT曲线不是直线型的，是曲线型的，NTC的B值不是固定的，每个温度点跟 R25的B值都不一样的。客户的公式R和T都使用的-40和25为温度点，但是B值用的是 B25/50=3930的B值，应该改用 B-40/25=3761.106K来重新计算。
重算，R(-40℃) = R(25℃) * exp(3761.106 * (1/T(-40℃)-1/T(25℃))
= 10E3 * EXP(3761.106 * (1/(-40-(-273.15))-1/(25-(-273.15))))
= 336794.9804Ω = 336.794kΩ
这就和原厂查找表数据匹配上了。

下图是我用恒定的B25/50=3930在excel中拉出来的数据表构图，温度从-40℃到85℃：

由于是呈指数级衰减的，高温段就糊在一起了，重新构图，用恒定的B25/50=3930，只看温度从24℃到85℃：

以上，把NTC热敏电阻的公式摊开了聊，是不是就没有当初刚接触时觉得的那么难了？

五、 PID控温，该如何实现？
实测1358nm带TEC的BOSA，在PID控制模式下的光谱。
在TEC控温50℃时（ADC_target=0x271），中心波长是1358.583nm。

在TEC控温45℃时（ADC_target=0x2E0），中心波长是1357.973nm。

这是PID和逼近法的温控方法的固件说明：

六、 请尝试回答：之前是什么阻碍了你的技术探索之旅？
我觉得是职场之卷，都不是隔行如隔山，而是隔个工位就如同隔山。2021年，我尚没离开自己联合创立然后又被原控股股东卖掉的那个公司，那时候我闲的蛋疼想搞一下如何在没有示波器的情况下盲调EML的消光比，但是等我去找研发才发现能够获取到的帮助已经非常稀薄了，别人当面是答应了稍后给我一个原理驱动EML激光器这端的截图，但截至我几个月后离职没有给，相濡以沫相忘于江湖了属于是，于是《EML的问题 20210316》一文我写了一半就封笔了，至今也没有完结。
本文是我厚着脸皮找了N个供应商，来探讨一个简单的技术问题，终于得到一个准确的结论，终于不再靠瞎猜啦。
现在要搞懂一个简单问题，对老年工程师来说，太难了。首先需要不耻下问并找到对的人，其次需要让别人理解你的问题，一来一回才有后文；最后还要能理解别人的回答并得到旁证是对的。
可能工程师的最大的悲哀在于，你的旁桌，他肯定懂，但他就是不说，你就是问他也问不出个所以然。就只有找供应商求助，凭借天然的甲方优势，大概率会得到乙方的倾囊相授，当然也有爱答不理的FAE，真是厕所大了，什么shit都有。
好在今天我大概知道了，EML之于DFB的驱动电路，无非就是多了一个TEC温度控制和一个EA负压控制，可当初真没有任何一个研发人员给我如此这般简明扼要地提到过，所以我承认我当时应是处于公司鄙视链最底端了。于是除了明显的卷，就只剩暗自神伤了。每每至此，我就想起《狂人日记》中的那句灵魂发问了——（旧社会人吃人）从来如此，便对么？

七、 SGM41296的其他实战Tips
SGM41296的EN管脚，通常是连到MCU的IO口被控制的，低电平shutdown，高电平enable。光模块刚上电时，MCU还没有初始化完毕，此刻MCU的IO控制口还是一个高阻态，而且通常MCU是内部有若上拉电阻比如100kΩ到高电平的。这就要求硬件上，对SGM41296的EN管脚，加一个强下拉电阻比如10kΩ，确保MCU还没有反应过来的时候，EN=0。我曾经在调试初版固件和升级MCU固件时，接连烧毁了5支带TEC的LD。尤其是第五支在升级固件时，因为初版硬件的SGM41296的EN下拉电阻太大是100kΩ，然后和处于Bootloader状态下的MCU内部的上拉电阻一分压得1.65V，连到SGM41296的EN管脚。关键是SGM41296的EN管脚居然不是TTL电平制式的，只要>1.2V就算enable。而此刻可以实测到VTEC=-2.7V，这意味着VCTR管脚可能上还残留有一个电压值>1.25V，那么TEC将疯狂加热，直至超过还处于正常加电中的LD的maximal junction temperature，最终烧毁LD。后面把下拉电阻改成了10kΩ，升级固件时VTEC=0V，不制热也不制冷，终于不烧LD了。
还有，为了在光模块上电的时候避免造成过大的电流浪涌，MCU控制EN的这个IO，是初始化IO口时就应该先清0的，只有进入while(1)之后才置1。
另外，理论上，制热COP总比制冷COP高约1倍，即相同能耗，TEC制冷效率，比TEC制热效率低。这意味着让TEC制冷时，会消耗更多的电流。也许这就是为什么带TEC的LD，原厂一般推荐TEC温度锁定到45℃，这样到高温85℃的温差不至于过大，才容易把温度锁住。实测，当TEC_DAC=0x650使TEC制冷时，SGM41295+TEC会消耗掉超过300mA的电流，导致远端供电3.3V的台式电源在本地评估板上的电压跌落至3.02V。

这是在特定条件下才能测得的真实数据，着实令人震撼。而这个特定条件是固件的一个bug造成的，固件曾经被设计成，假设高温环境下TEC失锁，则TEC不关但是TEC_DAC将被固定在一个最小值0x650，则SGM41296将持续让TEC制冷（另一方面就是TEC的热面会持续散热），此刻TEC消耗的3.3V电流就会显著高于未失锁状态电流，300+mA。
所以，TEC的制冷能力，一方面取决于TEC本身的材料构成，一方面还取决于应用环境的散热能力。如果TEC自身产热不能很快疏散，那么TEC制冷就会很困难。我们最开始遇到case temperature>60℃时，TEC就会失锁。然后把LD到外壳之间的散热胶垫，换成了导热率8W/m.k的泰吉诺Gel800导热凝脂，才勉强能达到case temperature=70℃的商业级温度上限。