基于ADN8830的非制冷紅外焦平面溫度控制電路設(shè)計(jì)

摘要：這里利用AD公司的熱電制冷控制器ADN8830設(shè)計(jì)出高性能、高穩(wěn)定性的TEC控制電路。該電路通過簡(jiǎn)單的電容、電阻構(gòu)成的外部PID(比例積分微分)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，能夠使探測(cè)器溫度在10 S內(nèi)穩(wěn)定在最佳工作點(diǎn)，溫度控制精度可達(dá)0．01℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案具有效率高、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是一種較好的溫控設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：ADN8830；溫度控制；TEC；PID；非制冷紅外焦平面陣列

    紅外技術(shù)作為一種發(fā)現(xiàn)、探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)的重要手段在軍民兩用技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，非制冷紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展極大地提高了系統(tǒng)的性能。非制冷紅外熱像儀采用的是不需要制冷的熱探測(cè)器焦平面陣列，利用紅外輻射使焦平面上敏感像元的溫度改變，從而使電阻隨之改變，來探測(cè)目標(biāo)的溫度特性。所以，只有盡可能地保證焦平面陣列中各敏感像元自身基準(zhǔn)溫度穩(wěn)定且一致，才能夠提高熱像儀的探測(cè)靈敏度，減小系統(tǒng)后期非均勻性校正的難度，最終從根本上提高熱像儀的探測(cè)靈敏度，改善熱像儀的成像性能。目前，在實(shí)際的非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器中采用半導(dǎo)體熱電制冷器(TEC)來穩(wěn)定基準(zhǔn)溫度。在此著重介紹一種基于ADN8830的高性能TEC溫度控制電路及其PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)方法。

1 溫度控制電路設(shè)計(jì)
    TEC(Thermo Electric Cooler)是用兩種不同半導(dǎo)體材料(P型和N型)組成PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)中有直流電通過時(shí)，由于兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結(jié)移動(dòng)過程中的吸熱或放熱效應(yīng)(帕爾帖效應(yīng))，就會(huì)使PN結(jié)表現(xiàn)出制冷或制熱效果，改變電流方向即可實(shí)現(xiàn)TEC的制冷或制熱，調(diào)節(jié)電流大小即可控制制熱制冷量輸出。
    利用TEC穩(wěn)定目標(biāo)溫度的方法如圖1所示。

    圖1中第一部分是溫度傳感器。這個(gè)傳感器是用來測(cè)量安放在TEC端的目標(biāo)物體的溫度。期望的目標(biāo)物體溫度是用一個(gè)設(shè)定點(diǎn)電壓來表示，與溫度傳感器產(chǎn)生的代表實(shí)際目標(biāo)物體溫度的電壓通過高精度運(yùn)算放大器進(jìn)行比較，然后產(chǎn)生誤差電壓。這個(gè)電壓通過高增益的放大器放大，同時(shí)也對(duì)因?yàn)槟繕?biāo)物體的冷熱端引起的相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償，然后再驅(qū)動(dòng)H橋輸出，H橋同時(shí)控制TEC電流的方向和大小。當(dāng)目標(biāo)物體的溫度低于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋朝TEC致熱的方向按一定的幅值驅(qū)動(dòng)電流；當(dāng)目標(biāo)物體的溫度高于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋會(huì)減少TEC的電流甚至反轉(zhuǎn)TEC的電流方向來降低目標(biāo)物體溫度。當(dāng)控制環(huán)路達(dá)到平衡時(shí)，TEC的電流方向和幅值就調(diào)整好了，目標(biāo)物體溫度也等于設(shè)定的溫度。
    在該設(shè)計(jì)中，對(duì)于TEC的控制選用ADI公司的TEC控制器ADN8830。ADN8830是目前最優(yōu)秀的單芯片高集成度、高輸出效率、高性能的TEC功率驅(qū)動(dòng)模塊之一，用于設(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度，在典型應(yīng)用中，最大溫漂電壓低于250 mV，能夠使目標(biāo)溫度誤差低于±0．01℃。每個(gè)加載在ADN8830輸入端的電壓對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn)。適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)動(dòng)TEC對(duì)紅外焦平面供熱或制冷。紅外焦平面的溫度由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻來測(cè)量并反饋給ADN8830，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動(dòng)TEC工作。
    這里所設(shè)計(jì)的用ADN8830實(shí)現(xiàn)非制冷紅外焦平面溫度控制電路如圖2所示。

    圖2中的電阻RTH即是非制冷紅外焦平面組件中自帶的熱敏電阻。電阻R4阻值的選擇與熱敏電阻RTH。的溫度特性和環(huán)境溫度有關(guān)。熱敏電阻RTH的阻值并不是隨著溫度的升高而線性下降的，電阻R4的阻值應(yīng)該按式(1)計(jì)算：

式中RT1和RT3分別表示熱敏電阻在工作溫度的兩個(gè)上、下極限時(shí)的阻值，RT2為熱敏電阻在平均溫度下的阻值。在實(shí)際應(yīng)用中，可取工作溫度的兩個(gè)極限分別為5℃、45℃，則平均溫度為25℃。通過查閱熱敏電阻溫度曲線可以得到RT1=10．735kΩ，RT2=4．700kΩ，RT3=2．250 kΩ，從而計(jì)算出電阻R4的值為3．304kΩ，取R4=3．300kΩ。
    ADN8830溫控電路的控制原理是通過采樣熱敏電阻上的電壓與非制冷紅外焦平面正常工作所設(shè)定的溫度相比較，從而調(diào)整致冷器中流過的電流的方向和大小來控制溫度的。ADN8830的管腳4(TEMPSET)的設(shè)定電壓值應(yīng)該按式(2)計(jì)算：

    設(shè)定溫度=25℃時(shí)，熱敏電阻RTH=4．7 kΩ，參考電壓VREF由芯片內(nèi)部提供，為2．47V，則VSET為1．45V。

2 PID網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)及參數(shù)設(shè)定
    PID(Proportion Integrator Differentiator)積分微分比例調(diào)節(jié)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是TEC溫度控制最關(guān)鍵的部分，是影響到TEC控制器的響應(yīng)速度和溫度穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。用PID控制技術(shù)作為核心，以減少靜態(tài)誤差、提高控制精度。PID相當(dāng)于放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，用比例運(yùn)算和積分運(yùn)算來提高調(diào)節(jié)精度，用微分運(yùn)算加速過渡過程，較好地解決了調(diào)節(jié)速度與精度的矛盾。PID的數(shù)學(xué)模型可用式(3)表示：

式中：KP為比例系數(shù)；T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。
    ADN8830 TEC控制器采用外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，僅需要幾個(gè)電阻和電容，如圖3所示。不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的熱負(fù)載特性來調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到最佳的溫度設(shè)定時(shí)間和穩(wěn)定性容限，但補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換周期對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大。為了確保溫度控制的穩(wěn)定性，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換周期必須小于TEC和溫度傳感器的熱時(shí)間常數(shù)。但是TEC和溫度傳感器的熱時(shí)間常數(shù)是一個(gè)難以描述的因素，無法通過計(jì)算方式來設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。針對(duì)圖3的PID網(wǎng)絡(luò)通常可以通過以下調(diào)試步驟來優(yōu)化參數(shù)：
    (1)將電容C9短路、C11開路，僅只留下電阻R6和R5構(gòu)成一簡(jiǎn)單的補(bǔ)償比例網(wǎng)絡(luò)；
    (2)增加電阻R6和R5的比例，從而增加增益直至TEC兩端的電壓開始出現(xiàn)振蕩，然后將R6和R5的比例縮小至原來的1／2；
    (3)將電容C9串接到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并減小該電容的值直至TEC兩端的電壓開始出現(xiàn)振蕩，然后將電容C9的值增加1倍，電容C9的初始值基于式(4)使單位增益為0．1 Hz；

    (4)短路電阻R7并加入電容C11使TEC兩端的電壓開始出現(xiàn)振蕩，這時(shí)可以減小電容C11或者重新接入電阻R7使TEC兩端的電壓穩(wěn)定；
    (5)改變TEMPSET的電壓值來調(diào)節(jié)TEC兩端的電壓穩(wěn)定時(shí)間，TEMPSET的變化約在100 mV，然后減小電容C11，C9和電阻R7從而減小穩(wěn)定時(shí)間，但是會(huì)造成輸出電壓過充；
    (6)添加與R6和C9并聯(lián)的反饋電容C10，反饋電容C10在不增加穩(wěn)定時(shí)間的前提下能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般330 pF～1 nF的電容比較合適。
    本文設(shè)計(jì)的溫度控制電路利用圖3的PID網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)C9=22μF，C10=330 pF，C1l=1μF，R7=1．388 MΩ，R5=1．092 MΩ，R6=175 kΩ時(shí)，系統(tǒng)從環(huán)境溫度改變到目標(biāo)溫度的建立時(shí)間在10 S以內(nèi)，精度可達(dá)0．01℃，并且能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3 性能測(cè)試
    實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在室溫下進(jìn)行的，圖4中所示的信號(hào)為ADN8830的管腳30(TEMPOUT)的電壓變化，其電壓的變化與傳感器探測(cè)到的溫度變化相一致，因此可以從此電壓變化的特性得到溫度變化的特性。如圖4所示可以看到經(jīng)過8．4s，電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)電壓1．45 V上，也就意味著溫度從環(huán)境溫度改變到目標(biāo)溫度25℃的建立時(shí)間為8．4s，且過充較小，并達(dá)到了穩(wěn)定。該電路具有正常工作指示和工作失效報(bào)警指示功能。當(dāng)熱敏電阻檢測(cè)到的溫度達(dá)到設(shè)定溫度(本電路設(shè)定溫度為25℃)時(shí)，ADN8830的管腳5(TEMPLOCK)輸出高電平，表示非制冷紅外焦平面的工作溫度已達(dá)設(shè)定溫度，此時(shí)發(fā)光二極管D1發(fā)光；當(dāng)管腳1(THERMFAULT)輸出高電平時(shí)，表示電路工作異常，發(fā)光二極管D2被點(diǎn)亮。

4 結(jié) 語
    本文設(shè)計(jì)的基于ADN8830的非制冷紅外焦平面溫度控制電路效率高、功耗低、體積小，通過實(shí)際應(yīng)用證明能夠把溫度控制在預(yù)設(shè)溫度上，并且精度可達(dá)0．01℃。通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的電阻電容構(gòu)成的外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠在10s內(nèi)把溫度控制在預(yù)設(shè)溫度上，并使整個(gè)溫控系統(tǒng)保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作狀態(tài)。