熱電制冷攝像機(jī)配套電源的研究

   現(xiàn)代成像器件具有集成度高、功耗小、成本低的優(yōu)點(diǎn),可以使攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、成本降低,典型的代表是CCD和GMOS成像器件。它們都是半導(dǎo)體器件,不足的是其成像品質(zhì)受溫度、開(kāi)機(jī)時(shí)間的影響。采用熱電制冷為其降溫是克服成像器件溫度噪聲的有效途徑。

   目前,采用熱電制冷的CCD攝像機(jī)技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)相當(dāng)成熟,市場(chǎng)上已有應(yīng)的該項(xiàng)技術(shù)的系列化商品。但是,就熱電制冷攝像機(jī)的研究國(guó)仙尚無(wú)成功報(bào)道,這是此類進(jìn)口商品價(jià)格居高不下的主要原因。因此,研制熱電制冷攝像機(jī)是業(yè)內(nèi)亟等解決的問(wèn)題,為此必須解決配套電源的技術(shù)問(wèn)題。

1 配套電源技術(shù)必須考慮的問(wèn)題

電源是攝像梵工作的基本條件,包括成像器件的工作電源和熱電制冷器電源部分。兩部分具有各自的特點(diǎn),前者要精度高、穩(wěn)定性好;后者則較為特殊,從熱電制冷的需要看,應(yīng)該具有以下的特點(diǎn)：

（1）品質(zhì)高,脈動(dòng)系數(shù)小。因?yàn)闊犭娭评淦鞯闹评湫阅芘c供電直流電源的品質(zhì)有關(guān),已以的研究表明：當(dāng)直流電源的電壓脈動(dòng)系數(shù)小于15％時(shí),其消耗的功率、制冷系數(shù)基本上沒(méi)有變化,而且脈動(dòng)系數(shù)小有利于制冷器穩(wěn)定工作。

（2）與制冷器相互匹配。由于希望成像器件工作在－40℃－60℃的溫度范圍內(nèi),而單級(jí)制冷器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,所以攝像機(jī)內(nèi)熱電制冷器是多級(jí)聯(lián)結(jié)的。由于各級(jí)制冷器的供電電源在功率容量、電壓大小方面都有較大差異,困此,不同的熱電制冷器應(yīng)單獨(dú)設(shè)置與之匹配的供電電源,不應(yīng)簡(jiǎn)單地串聯(lián)或并聯(lián)。

（3）功率容量可控。在制冷降溫過(guò)程中,不僅要求能降低溫度,更重要的是保持低溫恒定,而且還希望降溫速度快。對(duì)電源來(lái)說(shuō),則希望所能夠在開(kāi)機(jī)是提供熱電制冷器能夠承受的極限電壓和電流,隨著溫度的下降以及與設(shè)定值的接近,電源的電壓或電流逐漸減少,甚至為零。

（4）符合熱電制冷工作的特點(diǎn)。熱電制冷呂器是半導(dǎo)體器件,低電壓、大電流是熱電流冷器正常工作的突出特征,供電電源也要具有這一特性。

    除此 之外,電源作為攝像機(jī)的配套設(shè)備,還應(yīng)該滿足體積小、效率高、操作方便等要求,應(yīng)該具有電源工作狀態(tài)、攝像機(jī)內(nèi)部溫度可視化的功能,這樣不僅便用掌握成像品質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律性,掌握不同的熱負(fù)荷的降溫規(guī)律,還有益于了解控制器的性能及其工作狀態(tài),避免實(shí)驗(yàn)的盲目性。

   根據(jù)熱電制冷攝像機(jī)對(duì)電源的特殊要求,配套電源的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)解決兩方面的問(wèn)題：

（1）電源方案的選擇：目前的串型穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源都可以滿足熱電制冷器對(duì)電源品質(zhì)的要求,但串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的體積大、效率低、溫升高,而高頻開(kāi)關(guān)電源則可以克服上述不足,使攝像機(jī)系統(tǒng)的體積和重量降低。因此,在熱電制冷器的電源設(shè)計(jì)中,選擇高頻開(kāi)關(guān)型電源結(jié)構(gòu)。

（2）減小電源體積和重量;現(xiàn)從電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面采取小型化措施。在結(jié)構(gòu)上,把不必要的調(diào)節(jié)電壓固定下來(lái),對(duì)低功耗的電極直接采用電阻分壓供電,將制冷器和控制器的小功率電源合并制板;在電路設(shè)計(jì)中,選用新型集成電路,進(jìn)一步減小電路板的體積,從而使攝像機(jī)配套電源箱僅為200mm×130mm×120mm。[!--empirenews.page--]

2 配套電源設(shè)計(jì)

2.1 控制器電源設(shè)計(jì)

（3）圖1是根據(jù)上述思想設(shè)計(jì)的控制器電源電路,其核心是美國(guó)POWER INTERATIONS公司專門(mén)為設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源而產(chǎn)持的四端記線式開(kāi)關(guān)控制集成電路－TNY255P。TNY255P是Tinystch系列的一種,在器件的內(nèi)部集成有晶振及波形發(fā)生器、檢測(cè)的一種,在器件的內(nèi)部集成有晶振及波形發(fā)生器、檢測(cè)和邏輯電路、5.8V穩(wěn)壓器、欠壓電路、熱滯式過(guò)熱保護(hù)控制電路、限流電路、前沿消隱電路和一個(gè)Vds≥700V的功率MOSFET開(kāi)關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路,使天關(guān)電源結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)、元件數(shù)目最少,因此是開(kāi)關(guān)電源進(jìn)一步小型化的重大突破。

   圖中,以脈沖變壓器為界,衩級(jí)回路前為一次整流濾電路,次級(jí)繞組后為二次整流濾波電路,電阻R2、電容C9和二極管1N4937組成限幅鉗位電路,R3－R6和C10、C11組成緩沖保護(hù)電路,電阻R9－R12、C16、光偶4N35及基準(zhǔn)TL431構(gòu)成取樣、比較放大電路,產(chǎn)生與輸出電壓高低變一樣致的開(kāi)／關(guān)控制信號(hào),對(duì)TNT255P內(nèi)部的功率器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制保護(hù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。當(dāng)TNY255P內(nèi)部的功率器件導(dǎo)通時(shí),變壓器儲(chǔ)存能量（0.5LI2）;當(dāng)功率器件開(kāi)關(guān)斷時(shí),儲(chǔ)存的能量經(jīng)磁耦合傳遞到次級(jí)繞組,經(jīng)二次整流濾波,得到直流輸出。

2.2 制冷的供電系統(tǒng)

     本文采用TOP2×系列構(gòu)成熱電制冷器各級(jí)的供電電源,其應(yīng)用電路文獻(xiàn)[3]、[4]中已有介紹。TopSwitch三端離線式脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)集成電路也是美國(guó)POWER INTEFRATIONS公司生產(chǎn)的功率集成電路,是對(duì)TinySwitch的改進(jìn)和發(fā)展,其內(nèi)集成有高壓功率MOSFET器件及其驅(qū)動(dòng)電路、PWM控制器的電源的各種保護(hù)電路,是功能齊全的開(kāi)關(guān)電源器件。該器件不僅繼承了TinySwitch開(kāi)關(guān)控制器小型化的優(yōu)點(diǎn),而且改進(jìn)的三端式結(jié)構(gòu)使外部電路的連接更為簡(jiǎn)單;PWN控制使輸出濾波的要求降低;負(fù)載能力也大大加強(qiáng),由TOP2xx構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源的輸出率在0－150W的范圍內(nèi)可調(diào)。

      與圖1相比,不同是的：?jiǎn)我坏?5V／8A、3.2V／3A輸出使變壓器次級(jí)的找繞組及整流濾波電路減少一組;為減小電路損耗,在變壓器初級(jí)線圈回路中采用瞬變電壓抑制二極管和超快恢復(fù)二極管反向串聯(lián)結(jié)構(gòu)成限幅鉗位電路、,替代電阻R2、電容C9和二極管1N4937組成的限幅鉗位電路（參見(jiàn)[4]）;TOP227Y三端式PWM控制器替換TNY255P四端開(kāi)關(guān)控制器,并增加一組偏置繞組,其中,大功率MOSFET器件為PWN控制。除此之外,其它電路及其作用相同,這里不再贅述。

     此外,在電源設(shè)計(jì)中還充分考慮了電源性能指標(biāo)對(duì)電源體積和重量的影響。一般來(lái)說(shuō),紋波電壓越小,濾波電路的體積和重量越大,而且LC濾波電路的重量增加更為明顯。為滿足熱電制冷器大電流工作的需要,并簡(jiǎn)化電路加工的工藝,同時(shí)又不致因電流的紋波系數(shù)要求過(guò)高而使電源體積和重量增加過(guò)大,所有電源的二次濾波全部采用一級(jí)倒L型LC濾波電路,并選擇適當(dāng)?shù)碾娐穮?shù),從而使控制器電源的紋波系數(shù)達(dá)到0.8％,制冷器電源的紋波系數(shù)在小負(fù)載時(shí)達(dá)0.7％,大負(fù)載時(shí)為3％,滿足了不同電源的特殊需要。

2.3 恒溫控制

      熱電制冷恒溫控制是本文的關(guān)鍵。由電源設(shè)計(jì)及原理分析可知,對(duì)電源輸出電壓的調(diào)整,是通過(guò)輸出取樣放大電路、光偶電路,再經(jīng)過(guò)率開(kāi)關(guān)或PWM控制實(shí)現(xiàn)的。在制冷降溫和恒溫控制的過(guò)程中,要求制冷器電源的輸出功率隨著實(shí)際溫度與設(shè)定溫度差的大小成比例地變化,即溫差信號(hào)替代電源取樣信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)恒溫要求對(duì)電源輸出功率的動(dòng)態(tài)控制。結(jié)合恒溫控制可視化的要求以及控制精確度的要,熱電制冷恒溫控制電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

     其中,溫度定值器提供設(shè)定的溫度的電信號(hào),該信號(hào)一路送往定值限幅器,由指示燈顯示設(shè)定溫度是否在許可范圍內(nèi),并在正常設(shè)定的情況下產(chǎn)生電源開(kāi)關(guān)信號(hào),接通供電電源;另一路送往面板溫度顯示器,指示設(shè)定溫度的高低;再一路送往比較器。溫度傳感器產(chǎn)生實(shí)際溫度的電信號(hào),也分別送往比較器和面板溫度顯示器。比較顯示器產(chǎn)生設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的偏差信號(hào),經(jīng)μV放大器放大后送PID控制器進(jìn)行運(yùn)算,輸出具有PID調(diào)節(jié)規(guī)律的信號(hào)作為制冷供電電源控制回路的控制信號(hào)對(duì)其進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)為成像器件提供低溫和恒溫的工作環(huán)境;控制狀態(tài)顯示過(guò)零比較器和顯示電路組成,由偏差信號(hào)產(chǎn)生顯示電路開(kāi)關(guān)信號(hào),反映控制狀態(tài)。[!--empirenews.page--]

     這里,溫度定值器由恒流源和精密電阻組成,是一個(gè)穩(wěn)定的直流信號(hào)源,能比較精確地給出支流毫伏信號(hào);μＶ放大器采用高性能集成電路,工作穩(wěn)定,共模塊抑制能力強(qiáng),PID控制器的參數(shù)連續(xù)可調(diào),而且還增加了智能補(bǔ)償環(huán)節(jié);溫度傳感器采用文獻(xiàn)[5]介紹的電路,利用集成溫度傳感器AD590對(duì)熱電偶的自由端進(jìn)行補(bǔ)償,既可以提高測(cè)量溫度的范圍,又能利用熱電偶降低測(cè)量的成本,同時(shí)也避免了直接用熱電偶測(cè)量溫度需要的補(bǔ)償裝置;溫度顯示器由三位半的液晶屏及驅(qū)動(dòng)電路組成,通過(guò)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換,分時(shí)顯示設(shè)定溫度和實(shí)際溫度。

    不難看出,恒溫控制的目標(biāo)是設(shè)定溫度,控制的對(duì)象則是給熱電制冷器供電電源的輸出功率。由于控制對(duì)象和傳感器響應(yīng)的延時(shí)、被控參數(shù)的超高和波動(dòng)在所難免,為保證電源的輸出功率在調(diào)節(jié)的過(guò)程中,熱電制冷器兩端電壓的脈沖系數(shù)在許可的范圍內(nèi),盡量減速少溫度及電源電壓的超調(diào)是提高恒 控制器品持的關(guān)鍵。為此,給PID控制器增加了智能比例、積分補(bǔ)償環(huán)節(jié)（電路略）。當(dāng)溫差較大時(shí),控制器有較大的比例放大倍數(shù)、較小的積時(shí)間常數(shù),比例、積分作用強(qiáng),能較快地縮小溫左;反之,啟動(dòng)補(bǔ)償電路,削弱控制器的比例和積分作用,從而有效在減速少被控參數(shù)的超調(diào)波動(dòng)。通過(guò)仔細(xì)調(diào)整P、I、D參數(shù)和補(bǔ)償電路和參數(shù)以及啟動(dòng)補(bǔ)償電路的參考電壓,可保證控制溫度的精度達(dá)0.1℃。圖3是增是加智能補(bǔ)償環(huán)節(jié)前后溫度變化的對(duì)比曲線。很明顯,采取智能補(bǔ)償之后、控制器的品質(zhì)大為改善。這種控制方法不僅成本低、實(shí)現(xiàn)容易,而且直觀、形象地再現(xiàn)人們根據(jù) 況的變化,不斷調(diào)整控制策略的智能活動(dòng)過(guò)程。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)熱電制冷攝像機(jī)對(duì)配套電源的特殊要求,采用優(yōu)化思想,分別從電源結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)和恒溫控制的設(shè)計(jì)入手,采取相應(yīng)措施減速少體積、提高電路性能,制作了一體化電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明;該電源結(jié)構(gòu)合理,體積小,功能齊全,性能可靠。

（2）雖然該電濤是為熱電源制冷攝像機(jī)設(shè)計(jì)的,但是也可以作為類似設(shè)備的供電電源。而且,電路設(shè)計(jì)中的小型化思想和恒溫控制器中的智能化補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ簿哂衅毡橐饬x。