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一种用于热电制冷器的高精度温度控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于热电制冷器的高精度温度控制电路，包括五个部分：温度设定部分用于设定TEC所需的工作温度，并将温度设定信号输出到PID控制器；温度采集部分由温度传感器和激励源组成，用于采集TEC的工作温度，并将温度信号输出到PID控制器；PID控制器将温度设定信号与采集的温度信号相比较，其差分信号经过PID运算产生TEC控制信号，送入PWM功率驱动器；PWM功率驱动器根据TEC控制信号，产生PWM信号，并经滤波电路滤波后提供直流输出给TEC。本发明利用脉宽调制(PWM)方法设计出高精度、低成本温控电路，不采用传统的电桥平衡方法检测温度，不需要多个精密电阻，集成度高，控制精度高，而且便于实时设定温度，温度控制精度由国际上通用的±10mK，提高到±5mK。

Description

一种用于热电制冷器的高精度温度控制电路
技术领域
本发明属于电子科学与技术领域，涉及一种用于热电制冷器的高精度温度控制电路。
背景技术
热电制冷器是一种没有运动部分的小型热泵，运用于微型化和高可靠性的各种场合。致冷或致热取决于供电电流的方向。一种典型的单级制冷器，它由两片分别为P型和N型半导体材料的陶瓷片构成，半导体材料在电路中串联而在热传递中是并联方式。当一正向电流作用于N型半导体时，电子从P型半导体流动到N型半导体，因为热量被吸收，所以冷端温度下降，热传导至制冷器的热端，散发到热沉(heat sink)和周围环境中。这种热的吸收(制冷)和供电电流I、热电对(thermoeletric couples，由P型和N型热电材料成对构成)的数量成正比，可以多级使用。
热电制冷器(Thermoelectronic Cooler，TEC)因其体积小，既可制冷也可制热，制冷(热)速度快，多级串连使用可获更低温度，加以价格便宜及使用方便等特点，在电子、通讯、医疗、航空等方面获得了广泛的应用。它是半导体激光器、红外探测器、电荷耦合器件(CCD)、高速集成电路首选制冷器。如在非制冷红外焦平面应用中要求其温度稳定精度达到±0.01℃，否则将严重影响红外成像系统的性能，而TEC是首选。
TEC的驱动，传统的方法采用线性驱动。需要推挽结构的大功率三极管，其最大的优点是噪声小，但是制冷效率低，并难以达到高精度温度控制。“高精度半导体激光二极管温度控制系统”(罗忠生，张美敦等；半导体光电1999；(20)2：115-119)一文即采用线性驱动的方法，利用模拟电路完成温度的设定，存在调节精度不高，整个电路复杂的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于热电制冷器的高精度温度控制电路，它具有高精度、集成度高的优点，并且成本低和结构紧凑。
为实现上述发明目的，一种用于热电制冷器的高精度温度控制电路，由温度设定部分、温度采集部分、PID控制器、PWM功率驱动器和滤波电路组成；
温度设定部分用于设定热电制冷器所需的工作温度，并将温度设定信号输出到PID控制器；
温度采集部分用于采集TEC的工作温度，并将温度信号输出到PID控制器；
PID控制器将温度设定信号与采集的温度信号相比较，其差分信号经过PID运算产生TEC控制信号，送入PWM功率驱动器；
所述温度设定部分、温度采集部分和PID控制器共同采用AMC7820芯片，由PC机通过并口与该芯片通讯；
PWM功率驱动器由信号输入放大级、PWM控制器和H桥结构的场效益管驱动部分组成，它根据TEC控制信号，产生PWM信号，并经滤波电路滤波后提供直流输出给热电制冷器。
本发明主要针对非制冷红外成像技术及现代光通信中，其核心部件温度稳定器提出的高精度要求，采用改进了的脉宽调制方案，通过多位高精度D/A设定温度，使控温精度由国际上广泛采用的0.01℃(10mK)，提高到5mK，控制精度提高1倍，是一种集成度高、精度高、低成本、结构紧凑的TEC驱动电路，为精确控温需要提供了一种新的选择。
附图说明
图1为本发明电路的框图；
图2为本发明电路的原理图；
图3为本发明电路的使用效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施举例对本发明进一步说明。
本发明由温度设定1、温度采集2、PID(比例积分微分)控制器3、PWM(脉宽调制)功率驱动器4、滤波电路5，共五部分组成。
温度设定部分1完成对系统核心部件需要的工作温度的设定。为了保证温度精度，采用数字方式，由μC(微控制器)或PC，控制一个12位的D/A，使D/A的输出对应于系统核心部件(半导体激光器，非制冷红外焦平面等)所要达到的工作温度，D/A的输出就是温度设定信号。
温度采集部分2由温度传感器、激励源组成。常见的温度传感器有热敏电阻、热电偶、晶体二极管和一些集成的温度传感器芯片，而激励源则为恒流源或者恒压源。以最常见的热敏电阻为例，用一个恒流源作为其激励源，由于热敏电阻的电阻值随温度的变换而变化，则其两端的电压变化即能反应核心器件的温度，而传统的桥式电路检测温度，那样需要至少3个高精度的电阻，而且存在温度对应关系线性化的问题，精度不高。
PID控制器3将温度设定信号与采集的温度信号(热敏电阻两端的电压)相比较，其差分信号经过PID运算产生TEC控制信号。PID控制器的实现非常简单，仅仅需要一个运算放大器，2个电容和一个电阻即可。
PWM功率驱动器4由信号输入放大级、PWM控制器、H桥结构的场效益管驱动部分组成。现在已经有单一的完成这3个功能的集成芯片可以选择，调制频率可以达到1MHz。PID控制器的输出做为PWM功率驱动器的输入信号，由PWM功率驱动器产生的PWM信号最后经过滤波电路5，驱动TEC，完成温度控制。系统原理图见图1。
下面举例说明。
温度设定部分：12位的D/A有很多选择，如AD7390、LTC1658等等。
温度采集部分：在光通讯和非制冷红外成像技术中，半导体激光器和非制冷红外焦平面中的温度传感器一般为热敏电阻。激励源则一般司以选择100uA的恒流源，如REF200。而PID控制器结构很简单，仅仅需要一个运算放大器，便于实现。现使用TI(美国德州仪器公司)的AMC7820芯片。AMC7820是在小型TQFP-48封装中集成了一个8通道12位模数转换器(ADC)、3个12位数模转换器(DAC)、9个运算放大器、1个热控电流源、1个内部+2.5V电压基准和1个SPI串行接口。AMC7820可以完成温度设定、温度采集、和PID控制这3大功能。系统的集成度得以大大提高。
选择温度系数(TCR)为10ppm/℃，精度是0.1％的100KΩ精密电阻，AMC7820的恒流源输出即为100uA。为热敏电阻了提供稳定精度很高的电流，使热敏电阻两端的电压代表所要制冷器件的实际温度。
为了便于观察和使用方便，温度的设定由PC机完成。软件部分利用VisualBasic6.0编写而成，可以运行在基于Windows平台(Windows 95、98、NT、2000)的个人电脑上，能够方便的设定需要达到的稳定温度，可以同时检测AMC7820的各个寄存器值。PC和电路板通过IEEE1284 25针的并口数据线相连，通过并口以同步串行接口(SPI)通信方式控制AMC7820的DAC0，DAC0的输出电压表示要设定的温度。
PID控制器部分由AMC7820的运算放大器OPA7及周围电阻、电容元件完成。PID控制环路的元件C1、C2、R2参数由TEC的性能(热增益和时间常数)、PWM功率驱动器的增益和环路的响应共同决定。对于某种特定TEC，性能指标为Vmax＝2V，Imax＝1.5A，C1和C2取1uF，R2取1MΩ，当设定温度为25℃时，稳定时间20秒，超调量20％，获得了满意的效果。温度传感器两端的电压与DAC0的输出经过模拟PID调节得到TEC的控制电压VTEC。
TEC温度控制的最后一环为PWM功率驱动器部分。可以选择的芯片有LTC1923、DRV591、DRV592、DRV593、DRV594等。在本发明中采用TI公司生产的DRV593芯片。
DRV593是最大输出电流达到±3A的PWM功率驱动器，能给TEC提供双向电流，脉宽调制频率达到500KHZ，效率很高。此外片内集成了H桥式场效益管，因此可以对大功率的TEC进行直接驱动而无需增加附加电路。需要指出的是，DRV593的放大增益为2.34，其输出电压存在以下关系式：
          VOUT＝VPWM-VH/C＝2.34(VIN+-VIN-)＝2.34(VTEC-VREF)
其中VPWM、VH/C是DRV593的两个输出信号，VIN+，VIN-是其两个输入信号，分别对应VTEC(PID控制器的输出信号)和VREF(AMC7820输出的参考电压，为2.5V)。DRV593工作原理是VTEC大于VREF时，电流从TEC正端流向TEC负端，TEC工作在制冷状态；反之，VTEC小于VREF时，TEC则工作在制热状态。为了使DRV593的输出VOUT不超过TEC正常工作的最大电压Vmax，例如，对某一TEC，性能指标为Vmax＝2V，则VTEC应在1.66V和3.35V之间。故在PID控制器的输出级与PWM功率驱动器之间进行了保护电路设计。原理是利用运算放大器和二极管组成限幅电路对VTEC进行钳位。由于VTEC有上下限，所以采用双通道的运放，如OPA2134，及外围元件电阻和二极管对VTEC限压，对电阻取值时应考虑二极管的导通管压降。
DRV593的输出PWM信号经LC滤波后提供直流输出给TEC。在这一部分元件的布局与布线设计精细，能非常有效的抑制开关噪声。由于AMC7820的片上资源很多，所以利用其ADC6和ADC7分别监视TEC两端的电压和流过TEC的电流，记录TEC的工作情况，方便实验结果的分析。
系统整个温度控制设计完成。
利用武汉邮电科学院器件所1550nm单模半导体激光器作为测试对象，其TEC的性能指标为Vmax＝2V，Imax＝1.5A。温度传感器为在25℃时标称值为10KΩ，负温度系数(NTC)为-4.4％/℃的热敏电阻。100μA的恒流源在25℃时在10K热敏电阻两端的压降是1V，故热敏电阻的热灵敏度为44mV/℃(at 25℃)。当设定温度为25℃时，热敏电阻电压波动在1.00097V至1.00130V之间，最大波动0.33mV，温度控制精度达0.025℃，长时间温度稳定精度达到±0.005℃，结果如图8示。
常用的温度传感器还有热电偶、RTD温度传感器、PN结型的硅传感器。由于AMC7820的热控电流源能方便的设定10μA至1000μA的输出电流，所以可以方便的设计针对不同温度传感器的测温接口电路，而主要控制部分无需改动，所以这种TEC的温度控制方法具有广泛的实际用途，而不仅仅局限于温度传感器为热敏电阻的领域。可以根据应用需要，只需用微控制器，如80C51系列、MSP430系列、68HC系列等单片机代替PC机，完成与AMC7820的SPI口通讯功能，设定需要制冷器件所要达到的温度，便于系统集成和二次开发，能够广泛运用于光通讯用的半导体激光器和红外成像中非制冷红外焦平面的温度稳定控制。

Claims (3)

1、一种用于热电制冷器的高精度温度控制电路，由温度设定部分(1)、温度采集部分(2)、PID控制器(3)、PWM功率驱动器(4)和滤波电路(5)组成；
温度设定部分(1)用于设定热电制冷器所需的工作温度，并将温度设定信号输出到PID控制器(3)；
温度采集部分(2)用于采集TEC的工作温度，并将温度信号输出到PID控制器(3)；
PID控制器(3)将温度设定信号与采集的温度信号相比较，其差分信号经过PID运算产生TEC控制信号，送入PWM功率驱动器；
所述温度设定部分(1)、温度采集部分(2)和PID控制器(3)共同采用AMC7820芯片，由PC机通过并口与该芯片通讯；
PWM功率驱动器(4)由信号输入放大级、PWM控制器和H桥结构的场效益管驱动部分组成，它根据TEC控制信号，产生PWM信号，并经滤波电路(5)滤波后提供直流输出给热电制冷器。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述PWM功率驱动器(4)采用以下芯片中的任一种：LTC1923、DRV591、DRV592、DRV593和DRV594。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：在模拟PID调节输出级与PWM功率驱动器之间采用OPA2134双通道运算放大器构成的限压保护电路。
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