ADN8830設(shè)計(jì)的非制冷紅外焦平面溫度控制電路

本文著重介紹一種基于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。
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(lái)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(lái)穩(wěn)定基準(zhǔn)溫度。

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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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^(guò)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(lái)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R_TH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：R_T1和R_T3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，R_T2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(guò)查閱熱敏電阻溫度曲線可以得到R_T1=10.735 kΩ，R_T2=4.700 kΩ，R_T3=2.250 kΩ，從而計(jì)算出電阻R₄的值為3.304 kΩ，取R₄=3.300 kΩ。

ADN8830溫控電路的控制原理是通過(guò)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(guò)的電流的方向和大小來(lái)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R_TH=4.7 kΩ，參考電壓V_REF由芯片內(nèi)部提供，為2.47 V，則V_SET為1.45 V。

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(lái)提高調(diào)節(jié)精度，用微分運(yùn)算加速過(guò)渡過(guò)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(lái)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(wú)法通過(guò)計(jì)算方式來(lái)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(guò)以下調(diào)試步驟來(lái)優(yōu)化參數(shù)：



(1)將電容C₉短路、C₁₁開(kāi)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(kāi)始出現(xiàn)振蕩，然后將R₆和R₅的比例縮小至原來(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(guò)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，C₁₁=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(guò)8.4 s，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8.4 s，且過(guò)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(yǔ)

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(guò)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(guò)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10 s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)。