專利名稱：一種用于熱電制冷器的高精度溫度控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于熱電制冷器的高精度溫度控制電路。
背景技術(shù)：
熱電制冷器是一種沒有運(yùn)動部分的小型熱泵，運(yùn)用于微型化和高可靠性的各種場合。致冷或致熱取決于供電電流的方向。一種典型的單級制冷器，它由兩片分別為P型和N型半導(dǎo)體材料的陶瓷片構(gòu)成，半導(dǎo)體材料在電路中串聯(lián)而在熱傳遞中是并聯(lián)方式。當(dāng)一正向電流作用于N型半導(dǎo)體時(shí)，電子從P型半導(dǎo)體流動到N型半導(dǎo)體，因?yàn)闊崃勘晃?，所以冷端溫度下降，熱傳?dǎo)至制冷器的熱端，散發(fā)到熱沉(heat sink)和周圍環(huán)境中。這種熱的吸收(制冷)和供電電流I、熱電對(thermoeletric couples，由P型和N型熱電材料成對構(gòu)成)的數(shù)量成正比，可以多級使用。
熱電制冷器(Thermoelectronic Cooler，TEC)因其體積小，既可制冷也可制熱，制冷(熱)速度快，多級串連使用可獲更低溫度，加以價(jià)格便宜及使用方便等特點(diǎn)，在電子、通訊、醫(yī)療、航空等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。它是半導(dǎo)體激光器、紅外探測器、電荷耦合器件(CCD)、高速集成電路首選制冷器。如在非制冷紅外焦平面應(yīng)用中要求其溫度穩(wěn)定精度達(dá)到±0.01℃，否則將嚴(yán)重影響紅外成像系統(tǒng)的性能，而TEC是首選。
TEC的驅(qū)動，傳統(tǒng)的方法采用線性驅(qū)動。需要推挽結(jié)構(gòu)的大功率三極管，其最大的優(yōu)點(diǎn)是噪聲小，但是制冷效率低，并難以達(dá)到高精度溫度控制?！案呔劝雽?dǎo)體激光二極管溫度控制系統(tǒng)”(羅忠生，張美敦等；半導(dǎo)體光電1999；(20)2115-119)一文即采用線性驅(qū)動的方法，利用模擬電路完成溫度的設(shè)定，存在調(diào)節(jié)精度不高，整個(gè)電路復(fù)雜的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于熱電制冷器的高精度溫度控制電路，它具有高精度、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，并且成本低和結(jié)構(gòu)緊湊。
為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，一種用于熱電制冷器的高精度溫度控制電路，由溫度設(shè)定部分、溫度采集部分、PID控制器、PWM功率驅(qū)動器和濾波電路(5)組成；溫度設(shè)定部分用于設(shè)定TEC所需的工作溫度，并將溫度設(shè)定信號輸出到PID控制器；溫度采集部分由溫度傳感器和激勵源組成，用于采集TEC的工作溫度，并將溫度信號輸出到PID控制器；PID控制器將溫度設(shè)定信號與采集的溫度信號相比較，其差分信號經(jīng)過PID運(yùn)算產(chǎn)生TEC控制信號，送入PWM功率驅(qū)動器；PWM功率驅(qū)動器根據(jù)TEC控制信號，產(chǎn)生PWM信號，并經(jīng)濾波電路濾波后提供直流輸出給TEC。
上述溫度設(shè)定部分可由一個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器和微控制器或PC機(jī)構(gòu)成；PWM功率驅(qū)動器可由信號輸入放大級、PWM控制器和H橋結(jié)構(gòu)的場效益管驅(qū)動部分組成，可選用以下芯片中的任一種LTC1923、DRV591、DRV592、DRV593和DRV594。溫度設(shè)定部分、溫度采集部分和PID控制器共同選用AMC7820芯片，由PC機(jī)通過并口與該芯片通訊。在模擬PID調(diào)節(jié)輸出級與PWM功率驅(qū)動器之間可采用OPA2134雙通道運(yùn)算放大器構(gòu)成的限壓保護(hù)電路。
本實(shí)用新型主要針對非制冷紅外成像技術(shù)及現(xiàn)代光通信中，其核心部件溫度穩(wěn)定器提出的高精度要求，采用改進(jìn)了的脈寬調(diào)制方案，通過多位高精度D/A設(shè)定溫度，使控溫精度由國際上廣泛采用的0.01℃(10mK)，提高到5mK，控制精度提高1倍，是一種集成度高、精度高、低成本、結(jié)構(gòu)緊湊的TEC驅(qū)動電路，為精確控溫需要提供了一種新的選擇。


圖1為本實(shí)用新型電路的框圖；圖2為本實(shí)用新型電路的原理圖；圖3為本實(shí)用新型電路的使用效果圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施舉例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
本實(shí)用新型由溫度設(shè)定1、溫度采集2、PID(比例積分微分)控制器3、PWM(脈寬調(diào)制)功率驅(qū)動器4、濾波電路5，共五部分組成。
溫度設(shè)定部分1完成對系統(tǒng)核心部件需要的工作溫度的設(shè)定。為了保證溫度精度，采用數(shù)字方式，由μC(微控制器)或PC，控制一個(gè)12位的D/A，使D/A的輸出對應(yīng)于系統(tǒng)核心部件(半導(dǎo)體激光器，非制冷紅外焦平面等)所要達(dá)到的工作溫度，D/A的輸出就是溫度設(shè)定信號。
溫度采集部分2由溫度傳感器、激勵源組成。常見的溫度傳感器有熱敏電阻、熱電偶、晶體二極管和一些集成的溫度傳感器芯片，而激勵源則為恒流源或者恒壓源。以最常見的熱敏電阻為例，用一個(gè)恒流源作為其激勵源，由于熱敏電阻的電阻值隨溫度的變換而變化，則其兩端的電壓變化即能反應(yīng)核心器件的溫度，而傳統(tǒng)的橋式電路檢測溫度，那樣需要至少3個(gè)高精度的電阻，而且存在溫度對應(yīng)關(guān)系線性化的問題，精度不高。
PID控制器3將溫度設(shè)定信號與采集的溫度信號(熱敏電阻兩端的電壓)相比較，其差分信號經(jīng)過PID運(yùn)算產(chǎn)生TEC控制信號。PID控制器的實(shí)現(xiàn)非常簡單，僅僅需要一個(gè)運(yùn)算放大器，2個(gè)電容和一個(gè)電阻即可。
PWM功率驅(qū)動器4由信號輸入放大級、PWM控制器、H橋結(jié)構(gòu)的場效益管驅(qū)動部分組成。現(xiàn)在已經(jīng)有單一的完成這3個(gè)功能的集成芯片可以選擇，調(diào)制頻率可以達(dá)到1MHz。PID控制器的輸出做為PWM功率驅(qū)動器的輸入信號，由PWM功率驅(qū)動器產(chǎn)生的PWM信號最后經(jīng)過濾波電路5，驅(qū)動TEC，完成溫度控制。系統(tǒng)原理圖見圖1。
下面舉例說明。
溫度設(shè)定部分12位的D/A有很多選擇，如AD7390、LTC1658等等。
溫度采集部分在光通訊和非制冷紅外成像技術(shù)中，半導(dǎo)體激光器和非制冷紅外焦平面中的溫度傳感器一般為熱敏電阻。激勵源則一般可以選擇100uA的恒流源，如REF200。而PID控制器結(jié)構(gòu)很簡單，僅僅需要一個(gè)運(yùn)算放大器，便于實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)使用TI(美國德州儀器公司)的AMC7820芯片。AMC7820是在小型TQFP-48封裝中集成了一個(gè)8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、3個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、9個(gè)運(yùn)算放大器、1個(gè)熱控電流源、1個(gè)內(nèi)部+2.5V電壓基準(zhǔn)和1個(gè)SPI串行接口。AMC7820可以完成溫度設(shè)定、溫度采集、和PID控制這3大功能。系統(tǒng)的集成度得以大大提高。
選擇溫度系數(shù)(TCR)為10ppm/℃，精度是0.1％的100KΩ精密電阻，AMC7820的恒流源輸出即為100uA。為熱敏電阻了提供穩(wěn)定精度很高的電流，使熱敏電阻兩端的電壓代表所要制冷器件的實(shí)際溫度。
為了便于觀察和使用方便，溫度的設(shè)定由PC機(jī)完成。軟件部分利用VisualBasic6.0編寫而成，可以運(yùn)行在基于Windows平臺(Windows 95、98、NT、2000)的個(gè)人電腦上，能夠方便的設(shè)定需要達(dá)到的穩(wěn)定溫度，可以同時(shí)檢測AMC7820的各個(gè)寄存器值。PC和電路板通過IEEE1284 25針的并口數(shù)據(jù)線相連，通過并口以同步串行接口(SPI)通信方式控制AMC7820的DACO，DACO的輸出電壓表示要設(shè)定的溫度。
PID控制器部分由AMC7820的運(yùn)算放大器OPA7及周圍電阻、電容元件完成。PID控制環(huán)路的元件C1、C2、R2參數(shù)由TEC的性能(熱增益和時(shí)間常數(shù))、PWM功率驅(qū)動器的增益和環(huán)路的響應(yīng)共同決定。對于某種特定TEC，性能指標(biāo)為Vmax＝2V，Imax＝1.5A，C1和C2取1uF，R2取1MΩ，當(dāng)設(shè)定溫度為25℃時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間20秒，超調(diào)量20％，獲得了滿意的效果。溫度傳感器兩端的電壓與DACO的輸出經(jīng)過模擬PID調(diào)節(jié)得到TEC的控制電壓VTEC。
TEC溫度控制的最后一環(huán)為PWM功率驅(qū)動器部分。可以選擇的芯片有LTC1923、DRV591、DRV592、DRV593、DRV594等。在本實(shí)用新型中采用TI公司生產(chǎn)的DRV593芯片。
DRV593是最大輸出電流達(dá)到±3A的PWM功率驅(qū)動器，能給TEC提供雙向電流，脈寬調(diào)制頻率達(dá)到500KHZ，效率很高。此外片內(nèi)集成了H橋式場效益管，因此可以對大功率的TEC進(jìn)行直接驅(qū)動而無需增加附加電路。需要指出的是，DRV593的放大增益為2.34，其輸出電壓存在以下關(guān)系式VOUT＝VPWM-VH/C＝2.34(VIN+-VIN-)＝2.34(VTEC-VREF)其中VPWM、VH/C是DRV593的兩個(gè)輸出信號，VIN+，VIN-是其兩個(gè)輸入信號，分別對應(yīng)VTEC(PID控制器的輸出信號)和VREF(AMC7820輸出的參考電壓，為2.5V)。DRV593工作原理是VTEC大于VREF時(shí)，電流從TEC正端流向TEC負(fù)端，TEC工作在制冷狀態(tài)；反之，VTEC小于VREF時(shí)，TEC則工作在制熱狀態(tài)。為了使DRV593的輸出VOUT不超過TEC正常工作的最大電壓Vmax，例如，對某一TEC，性能指標(biāo)為Vmax＝2V，則VTEC應(yīng)在1.66V和3.35V之間。故在PID控制器的輸出級與PWM功率驅(qū)動器之間進(jìn)行了保護(hù)電路設(shè)計(jì)。原理是利用運(yùn)算放大器和二極管組成限幅電路對VTEC進(jìn)行鉗位。由于VTEC有上下限，所以采用雙通道的運(yùn)放，如OPA2134，及外圍元件電阻和二極管對VTEC限壓，對電阻取值時(shí)應(yīng)考慮二極管的導(dǎo)通管壓降。
DRV593的輸出PWM信號經(jīng)LC濾波后提供直流輸出給TEC。在這一部分元件的布局與布線設(shè)計(jì)精細(xì)，能非常有效的抑制開關(guān)噪聲。由于AMC7820的片上資源很多，所以利用其ADC6和ADC7分別監(jiān)視TEC兩端的電壓和流過TEC的電流，記錄TEC的工作情況，方便實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。
系統(tǒng)整個(gè)溫度控制設(shè)計(jì)完成。
利用武漢郵電科學(xué)院器件所1550nm單模半導(dǎo)體激光器作為測試對象，其TEC的性能指標(biāo)為Vmax＝2V，Imax＝1.5A。溫度傳感器為在25℃時(shí)標(biāo)稱值為10KΩ，負(fù)溫度系數(shù)(NTC)為-4.4％/℃的熱敏電阻。100μA的恒流源在25℃時(shí)在10K熱敏電阻兩端的壓降是1V，故熱敏電阻的熱靈敏度為44mV/℃(at 25℃)。當(dāng)設(shè)定溫度為25℃時(shí)，熱敏電阻電壓波動在1.00097V至1.00130V之間，最大波動0.33mV，溫度控制精度達(dá)0.025℃，長時(shí)間溫度穩(wěn)定精度達(dá)到±0.005℃，結(jié)果如圖8示。
常用的溫度傳感器還有熱電偶、RTD溫度傳感器、PN結(jié)型的硅傳感器。由于AMC7820的熱控電流源能方便的設(shè)定10μA至1000μA的輸出電流，所以可以方便的設(shè)計(jì)針對不同溫度傳感器的測溫接口電路，而主要控制部分無需改動，所以這種TEC的溫度控制方法具有廣泛的實(shí)際用途，而不僅僅局限于溫度傳感器為熱敏電阻的領(lǐng)域?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用需要，只需用微控制器，如80C51系列、MSP430系列、68HC系列等單片機(jī)代替PC機(jī)，完成與AMC7820的SPI口通訊功能，設(shè)定需要制冷器件所要達(dá)到的溫度，便于系統(tǒng)集成和二次開發(fā)，能夠廣泛運(yùn)用于光通訊用的半導(dǎo)體激光器和紅外成像中非制冷紅外焦平面的溫度穩(wěn)定控制。
權(quán)利要求1.一種用于熱電制冷器的高精度溫度控制電路，其特征在于該電路由溫度設(shè)定部分(1)、溫度采集部分(2)、PID控制器(3)、PWM功率驅(qū)動器(4)和濾波電路(5)組成；溫度設(shè)定部分(1)用于設(shè)定TEC所需的工作溫度，并將溫度設(shè)定信號輸出到PID控制器(3)；溫度采集部分(2)由溫度傳感器和激勵源組成，用于采集TEC的工作溫度，并將溫度信號輸出到PID控制器(3)；PID控制器(3)將溫度設(shè)定信號與采集的溫度信號相比較，其差分信號經(jīng)過PID運(yùn)算產(chǎn)生TEC控制信號，送入PWM功率驅(qū)動器；PWM功率驅(qū)動器(4)根據(jù)TEC控制信號，產(chǎn)生PWM信號，并經(jīng)濾波電路(5)濾波后提供直流輸出給TEC。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于所述溫度設(shè)定部分由一個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器和微控制器或PC機(jī)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電路，其特征在于PWM功率驅(qū)動器(4)由信號輸入放大級、PWM控制器和H橋結(jié)構(gòu)的場效益管驅(qū)動部分組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于所述溫度設(shè)定部分(1)、溫度采集部分(2)和PID控制器(3)共同選用AMC7820芯片，由PC機(jī)通過并口與該芯片通訊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其特征在于所述PWM功率驅(qū)動器(4)可選用以下芯片中的任一種LTC1923、DRV591、DRV592、DRV593和DRV594。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其特征在于在模擬PID調(diào)節(jié)輸出級與PWM功率驅(qū)動器之間采用OPA2134雙通道運(yùn)算放大器構(gòu)成的限壓保護(hù)電路。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于熱電制冷器的高精度溫度控制電路，包括五個(gè)部分溫度設(shè)定部分用于設(shè)定TEC所需的工作溫度，并將溫度設(shè)定信號輸出到PID控制器；溫度采集部分由溫度傳感器和激勵源組成，用于采集TEC的工作溫度，并將溫度信號輸出到PID控制器；PID控制器將溫度設(shè)定信號與采集的溫度信號相比較，其差分信號經(jīng)過PID運(yùn)算產(chǎn)生TEC控制信號，送入PWM功率驅(qū)動器；PWM功率驅(qū)動器根據(jù)TEC控制信號，產(chǎn)生PWM信號，并經(jīng)濾波電路濾波后提供直流輸出給TEC。本實(shí)用新型利用脈寬調(diào)制(PWM)方法設(shè)計(jì)出高精度、低成本溫控電路，不采用傳統(tǒng)的電橋平衡方法檢測溫度，不需要多個(gè)精密電阻，集成度高，控制精度高，而且便于實(shí)時(shí)設(shè)定溫度，溫度控制精度由國際上通用的±10mK，提高到±5mK。
文檔編號G05D23/19GK2630912SQ0325414
公開日2004年8月4日 申請日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者劉靖, 易新建, 何兆湘 申請人:華中科技大學(xué)