鄭 興，蔣亞?wèn)|，羅鳳武，陳厚來(lái)，王利穎，梁 萍
(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610054)
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。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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)方法。
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(yīng)該按式(1)計(jì)算：
式中：RT1和RT3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，RT2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RT1=10.735 kΩ，RT2=4.700 kΩ，RT3=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RTH=4.7 kΩ，參考電壓VREF由芯片內(nèi)部提供，為2.47 V，則VSET為1.45 V。