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紅外技術作為一種發(fā)現(xiàn)、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(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(wěn)定且一致，才能夠提高熱像儀的探測靈敏度，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(wěn)定基準溫度。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補償網(wǎng)絡的調(diào)節(jié)方法。 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(xiàn)出制冷或制熱效果，改變電流方向即可實現(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(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)TEC的電流方向來降低目標物體溫度。當控制環(huán)路達到平衡時，TEC的電流方向和幅值就調(diào)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(yōu)秀的單芯片高集成度、高輸出效率、高性能的TEC功率驅(qū)動模塊之一，用于設定和穩(wěn)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?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)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(shù)熱敏電阻來測量并反饋給ADN8830，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動TEC工作。 這里所設計的用ADN8830實現(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。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的阻值應該按式(1)計算：
式中RT1和RT3分別表示熱敏電阻在工作溫度的兩個上、下極限時的阻值，RT2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 RT1=10．735kΩ，RT2=4．700kΩ，RT3=2．250 kΩ，從而計算出電阻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)的設定電壓值應該按式(2)計算：
設定溫度=25℃時，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)絡調(diào)節(jié)及參數(shù)設定 PID(Proportion Integrator Differentiator)積分微分比例調(diào)節(jié)補償網(wǎng)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(wěn)定性的一個關鍵因素。用 PID控制技術作為核心，以減少靜態(tài)誤差、提高控制精度。PID相當于放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，用比例運算和積分運算來提高調(diào)節(jié)精度，用微分運算加速過渡過程，較好地解決了調(diào)節(jié)速度與精度的矛盾。PID的數(shù)學模型可用式(3)表示：
式中：KP為比例系數(shù)；T1為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。 ADN8830 TEC控制器采用外部補償網(wǎng)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(jù)自己的熱負載特性來調(diào)整補償網(wǎng)絡，從而達到最佳的溫度設定時間和穩(wěn)定性容限，但補償網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)換周期對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大。為了確保溫度控制的穩(wěn)定性，補償網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)換周期必須小于TEC和溫度傳感器的熱時間常數(shù)。但是TEC和溫度傳感器的熱時間常數(shù)是一個難以描述的因素，無法通過計算方式來設計網(wǎng)絡參數(shù)。針對圖3的PID網(wǎng)絡通�？梢酝ㄟ^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構成一簡單的補償比例網(wǎng)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(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串接到補償網(wǎng)絡，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)定時間，但是會造成輸出電壓過充； (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。 本文設計的溫度控制電路利用圖3的PID網(wǎng)絡結構，當C9=22μF，C10=330 pF，C1l=1μF，R7=1．388 MΩ，R5=1．092 MΩ，R6=175 kΩ時，系統(tǒng)從環(huán)境溫度改變到目標溫度的建立時間在10 S以內(nèi)，精度可達0．01℃，并且能保持長期穩(wěn)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(jīng)過8．4s，電壓穩(wěn)定在預設電壓1．45 V上，也就意味著溫度從環(huán)境溫度改變到目標溫度25℃的建立時間為8．4s，且過充較小，并達到了穩(wěn)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(fā)光二極管D1發(fā)光；當管腳1(THERMFAULT)輸出高電平時，表示電路工作異常，發(fā)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(wǎng)絡能夠在10s內(nèi)把溫度控制在預設溫度上，并使整個溫控系統(tǒng)保持長時間穩(wěn)定工作狀態(tài)。 參考文獻 1. 邢素霞,張俊舉,常本康,等.非制冷紅外熱成像技術的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].紅外與激光工程,2004,33(5):441-444. 2. 董培芝.非制冷紅外焦平面陣列[J].激光與紅外,1997,27(6):355-357. 3. Gu X,Karunasiri G,Yu J,et al.On-chip Compensation of Self-heating Effects in Microbolometer Infrared Detector Arrays[J].Sensors and Actuators A,1998,69:92-96. 4. 徐隆,易新建.128×128紅外焦平面陣列時序分析與溫控電路設計[J].紅外與毫米波學報,2003,22(4):261-264. 5. Zhong Guangxue.Thermal Electric Cooler and the Application[M].Beijing:Scientific Publisher,1991. 6. Huang B J,Duang C L.System Dynamic Model and Tempe-rature Control of a Thermoelectric Cooler[J].International Journal of Refrigeration,2000,23:197-207. 7. Zhang Yang,Ashe J.Design a High Performance TEC Controller[A].SPIE[C].2002,4 913:177-183. 8. 孔令彬,易新建,王典洪,等.320×240長波非制冷微測輻射熱計紅外熱像儀的研制[J].光子學報,2002,31(5):596-600. 9. Analog Devices Inc.Thermoelectric Cooler Controller ADN8830[Z].Norwood:Analog Devices Inc.,2003. 10. 紀天南,田小建,李冰.高穩(wěn)定度恒溫控制器模塊的設計與應用[J].控制系統(tǒng),2006,22 (1):18-21. 作者：鄭興 蔣亞東 羅鳳武 陳厚來 王利穎 梁萍 （電子科技大學,電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,四川,成都,610054） 來源：現(xiàn)代電子技術 2009 32(24) |
