ADN8830設計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補償網絡的調節方法。
紅外技術作為一種發現、探測和識別目標的重要手段在軍民兩用技術中有著廣泛的應用，非制冷紅外焦平面陣列技術的發展極大地提高了系統的性能。非制冷紅外熱像儀采用的是不需要制冷的熱探測器焦平面陣列，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，來探測目標的溫度特性。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溫度穩定且一致，才能夠提高熱像儀的探測靈敏度，減小系統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靈敏度，改善熱像儀的成像性能。目前，在實際的非制冷紅外焦平面陣列探測器中采用半導體熱電制冷器(TEC)來穩定基準溫度。

1? 溫度控制電路設計

TEC(Thermo Electric Cooler)是用兩種不同半導體材料(P型和N型)組成PN結，當PN結中有直流電通過時，由于兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結移動過程中的吸熱或放熱效應(帕爾帖效應)，就會使PN結表現出制冷或制熱效果，改變電流方向即可實現TEC的制冷或制熱，調節電流大小即可控制制熱制冷量輸出。

利用TEC穩定目標溫度的方法如圖1所示。



圖1中第一部分是溫度傳感器。這個傳感器是用來測量安放在TEC端的目標物體的溫度。期望的目標物體溫度是用一個設定點電壓來表示，與溫度傳感器產生的代表實際目標物體溫度的電壓通過高精度運算放大器進行比較，然后產生誤差電壓。這個電壓通過高增益的放大器放大，同時也對因為目標物體的冷熱端引起的相位延遲進行補償，然后再驅動H橋輸出，H橋同時控制TEC電流的方向和大小。當目標物體的溫度低于設定點溫度時，H橋朝TEC致熱的方向按一定的幅值驅動電流；當目標物體的溫度高于設定點溫度時，H橋會減少TEC的電流甚至反轉TEC的電流方向來降低目標物體溫度。當控制環路達到平衡時，TEC的電流方向和幅值就調整好了，目標物體溫度也等于設定的溫度。

在該設計中，對于TEC的控制選用ADI公司的TEC控制器ADN8830。ADN8830是目前最優秀的單芯片高集成度、高輸出效率、高性能的TEC功率驅動模塊之一，用于設定和穩定TEC的溫度，在典型應用中，最大溫漂電壓低于250 mV，能夠使目標溫度誤差低于±0.01℃。每個加載在ADN8830輸入端的電壓對應一個目標溫度設定點。適當的電流通過TEC將驅動TEC對紅外焦平面供熱或制冷。紅外焦平面的溫度由負溫度系數熱敏電阻來測量并反饋給ADN8830，用于調整系統回路和驅動TEC工作。

這里所設計的用ADN8830實現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的溫度特性和環境溫度有關。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的阻值應該按式(1)計算：



式中：R_T1和R_T3分別表示熱敏電阻在工作溫度的兩個上、下極限時的阻值，R_T2為熱敏電阻在平均溫度下的阻值。在實際應用中，可取工作溫度的兩個極限分別為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R_T1=10.735 kΩ，R_T2=4.700 kΩ，R_T3=2.250 kΩ，從而計算出電阻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定的溫度相比較，從而調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)的設定電壓值應該按式(2)計算：



設定溫度=25℃時，熱敏電阻R_TH=4.7 kΩ，參考電壓V_REF由芯片內部提供，為2.47 V，則V_SET為1.45 V。

2 PID網絡調節及參數設定

PID(Proportion Integrator Differentiator)積分微分比例調節補償網絡是TEC溫度控制最關鍵的部分，是影響到TEC控制器的響應速度和溫度穩定性的
一個關鍵因素。用PID控制技術作為核心，以減少靜態誤差、提高控制精度。PID相當于放大倍數可調的放大器，用比例運算和積分運算來提高調節精度，用微分運算加速過渡過程，較好地解決了調節速度與精度的矛盾。PID的數學模型可用式(3)表示：



式中：Kp為比例系數；T1為積分時間常數；TD為微分時間常數。

ADN8830 TEC控制器采用外部補償網絡，僅需要幾個電阻和電容，如圖3所示。不同的應用設計者可以根據自己的熱負載特性來調整補償網絡，從而達到最佳的溫度設定時間和穩定性容限，但補償網絡的轉換周期對控制系統的穩定性影響較大。為了確保溫度控制的穩定性，補償網絡的轉換周期必須小于TEC和溫度傳感器的熱時間常數。但是TEC和溫度傳感器的熱時間常數是一個難以描述的因素，無法通過計算方式來設計網絡參數。針對圖3的PID網絡通常可以通過以下調試步驟來優化參數：



(1)將電容C₉短路、C₁₁開路，僅只留下電阻R₆和R₅構成一簡單的補償比例網絡；

(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串接到補償網絡，并減小該電容的值直至TEC兩端的電壓開始出現振蕩，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振蕩，這時可以減小電容C₁₁或者重新接入電阻R₇使TEC兩端的電壓穩定；

(5)改變TEMPSET的電壓值來調節TEC兩端的電壓穩定時間，TEMPSET的變化約在100 mV，然后減小電容C₁₁，C₉和電阻R₇從而減小穩定時間，但是會造成輸出電壓過充；

(6)添加與R₆和C₉并聯的反饋電容C₁₀，反饋電容C₁₀在不增加穩定時間的前提下能夠提高系統的穩定性。一般330 pF～1 nF的電容比較合適。

本文設計的溫度控制電路利用圖3的PID網絡結構，當C₉=22μF，C₁₀=330 pF，C₁₁=1μF，R₇=1.388 MΩ，R₅=1.092 MΩ，R₆=175 kΩ時，系統從環境溫度改變到目標溫度的建立時間在10 s以內，精度可達0.01℃，并且能保持長期穩定。



3? 性能測試

實驗測試是在室溫下進行的，圖4中所示的信號為ADN8830的管腳30(TEMPOUT)的電壓變化，其電壓的變化與傳感器探測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所示可以看到經過8.4 s，電壓穩定在預設電壓1.45 V上，也就意味著溫度從環境溫度改變到目標溫度25℃的建立時間為8.4 s，且過充較小，并達到了穩定。該電路具有正常工作指示和工作失效報警指示功能。當熱敏電阻檢測到的溫度達到設定溫度(本電路設定溫度為25℃)時，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設定溫度，此時發光二極管D1發光；當管腳1(THERMFAULT) 輸出高電平時，表示電路工作異常，發光二極管D2被點亮。



4? 結? 語

本文設計的基于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，通過實際應用證明能夠把溫度控制在預設溫度上，并且精度可達0.01℃。通過幾個簡單的電阻電容構成的外部補償網絡能夠在10 s內把溫度控制在預設溫度上，并使整個溫控系統保持長時間穩定工作狀態。