ADN8830设计的非制冷红外焦平面温度控制电路

本文着重介绍一种基于ADN8830的高性能TEC温度控制电路及其PID补偿网络的调节方法。
红外技术作为一种发现、探测和识别目标的重要手段在军民两用技术中有着广泛的应用，非制冷红外焦平面阵列技术的发展极大地提高了系统的性能。非制冷红外热像仪采用的是不需要制冷的热探测器焦平面阵列，利用红外辐射使焦平面上敏感像元的温度改变，从而使电阻随之改变，来探测目标的温度特性。所以，只有尽可能地保证焦平面阵列中各敏感像元自身基准温度稳定且一致，才能够提高热像仪的探测灵敏度，减小系统后期非均匀性校正的难度，最终从根本上提高热像仪的探测灵敏度，改善热像仪的成像性能。目前，在实际的非制冷红外焦平面阵列探测器中采用半导体热电制冷器(TEC)来稳定基准温度。

1  温度控制电路设计

TEC(Thermo Electric Cooler)是用两种不同半导体材料(P型和N型)组成PN结，当PN结中有直流电通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中的吸热或放热效应(帕尔帖效应)，就会使PN结表现出制冷或制热效果，改变电流方向即可实现TEC的制冷或制热，调节电流大小即可控制制热制冷量输出。

利用TEC稳定目标温度的方法如图1所示。



图1中第一部分是温度传感器。这个传感器是用来测量安放在TEC端的目标物体的温度。期望的目标物体温度是用一个设定点电压来表示，与温度传感器产生的代表实际目标物体温度的电压通过高精度运算放大器进行比较，然后产生误差电压。这个电压通过高增益的放大器放大，同时也对因为目标物体的冷热端引起的相位延迟进行补偿，然后再驱动H桥输出，H桥同时控制TEC电流的方向和大小。当目标物体的温度低于设定点温度时，H桥朝TEC致热的方向按一定的幅值驱动电流；当目标物体的温度高于设定点温度时，H桥会减少TEC的电流甚至反转TEC的电流方向来降低目标物体温度。当控制环路达到平衡时，TEC的电流方向和幅值就调整好了，目标物体温度也等于设定的温度。

在该设计中，对于TEC的控制选用ADI公司的TEC控制器ADN8830。ADN8830是目前最优秀的单芯片高集成度、高输出效率、高性能的TEC功率驱动模块之一，用于设定和稳定TEC的温度，在典型应用中，最大温漂电压低于250 mV，能够使目标温度误差低于±0.01℃。每个加载在ADN8830输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC对红外焦平面供热或制冷。红外焦平面的温度由负温度系数热敏电阻来测量并反馈给ADN8830，用于调整系统回路和驱动TEC工作。

这里所设计的用ADN8830实现非制冷红外焦平面温度控制电路如图2所示。



图2中的电阻RTH即是非制冷红外焦平面组件中自带的热敏电阻。电阻R₄阻值的选择与热敏电阻RTH的温度特性和环境温度有关。热敏电阻R_TH的阻值并不是随着温度的升高而线性下降的，电阻R4的阻值应该按式(1)计算：



式中：R_T1和R_T3分别表示热敏电阻在工作温度的两个上、下极限时的阻值，R_T2为热敏电阻在平均温度下的阻值。在实际应用中，可取工作温度的两个极限分别为5℃、45℃，则平均温度为25℃。通过查阅热敏电阻温度曲线可以得到R_T1=10.735 kΩ，R_T2=4.700 kΩ，R_T3=2.250 kΩ，从而计算出电阻R₄的值为3.304 kΩ，取R₄=3.300 kΩ。

ADN8830温控电路的控制原理是通过采样热敏电阻上的电压与非制冷红外焦平面正常工作所设定的温度相比较，从而调整致冷器中流过的电流的方向和大小来控制温度的。ADN8830的管脚4(TEMPSET)的设定电压值应该按式(2)计算：



设定温度=25℃时，热敏电阻R_TH=4.7 kΩ，参考电压V_REF由芯片内部提供，为2.47 V，则V_SET为1.45 V。

2 PID网络调节及参数设定

PID(ProporTIon Integrator DifferenTIator)积分微分比例调节补偿网络是TEC温度控制最关键的部分，是影响到TEC控制器的响应速度和温度稳定性的
一个关键因素。用PID控制技术作为核心，以减少静态误差、提高控制精度。PID相当于放大倍数可调的放大器，用比例运算和积分运算来提高调节精度，用微分运算加速过渡过程，较好地解决了调节速度与精度的矛盾。PID的数学模型可用式(3)表示：



式中：Kp为比例系数；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数。

ADN8830 TEC控制器采用外部补偿网络，仅需要几个电阻和电容，如图3所示。不同的应用设计者可以根据自己的热负载特性来调整补偿网络，从而达到最佳的温度设定时间和稳定性容限，但补偿网络的转换周期对控制系统的稳定性影响较大。为了确保温度控制的稳定性，补偿网络的转换周期必须小于TEC和温度传感器的热时间常数。但是TEC和温度传感器的热时间常数是一个难以描述的因素，无法通过计算方式来设计网络参数。针对图3的PID网络通常可以通过以下调试步骤来优化参数：



(1)将电容C₉短路、C₁₁开路，仅只留下电阻R₆和R₅构成一简单的补偿比例网络；

(2)增加电阻R₆和R₅的比例，从而增加增益直至TEC两端的电压开始出现振荡，然后将R₆和R₅的比例缩小至原来的1／2；

(3)将电容C₉串接到补偿网络，并减小该电容的值直至TEC两端的电压开始出现振荡，然后将电容C₉的值增加1倍，电容C₉的初始值基于式(4)使单位增益为0.1 Hz；



(4)短路电阻R₇并加入电容C₁₁使TEC两端的电压开始出现振荡，这时可以减小电容C₁₁或者重新接入电阻R₇使TEC两端的电压稳定；

(5)改变TEMPSET的电压值来调节TEC两端的电压稳定时间，TEMPSET的变化约在100 mV，然后减小电容C₁₁，C₉和电阻R₇从而减小稳定时间，但是会造成输出电压过充；

(6)添加与R₆和C₉并联的反馈电容C₁₀，反馈电容C₁₀在不增加稳定时间的前提下能够提高系统的稳定性。一般330 pF～1 nF的电容比较合适。

本文设计的温度控制电路利用图3的PID网络结构，当C₉=22μF，C₁₀=330 pF，C₁₁=1μF，R₇=1.388 MΩ，R₅=1.092 MΩ，R₆=175 kΩ时，系统从环境温度改变到目标温度的建立时间在10 s以内，精度可达0.01℃，并且能保持长期稳定。



3  性能测试

实验测试是在室温下进行的，图4中所示的信号为ADN8830的管脚30(TEMPOUT)的电压变化，其电压的变化与传感器探测到的温度变化相一致，因此可以从此电压变化的特性得到温度变化的特性。如图4所示可以看到经过8.4 s，电压稳定在预设电压1.45 V上，也就意味着温度从环境温度改变到目标温度25℃的建立时间为8.4 s，且过充较小，并达到了稳定。该电路具有正常工作指示和工作失效报警指示功能。当热敏电阻检测到的温度达到设定温度(本电路设定温度为25℃)时，ADN8830的管脚5(TEMPLOCK)输出高电平，表示非制冷红外焦平面的工作温度已达设定温度，此时发光二极管D1发光；当管脚1(THERMFAULT) 输出高电平时，表示电路工作异常，发光二极管D2被点亮。



4  结  语

本文设计的基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路效率高、功耗低、体积小，通过实际应用证明能够把温度控制在预设温度上，并且精度可达0.01℃。通过几个简单的电阻电容构成的外部补偿网络能够在10 s内把温度控制在预设温度上，并使整个温控系统保持长时间稳定工作状态。