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)
   
紅外技術(shù)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(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(luò)的調(diào)節(jié)方法。

1  溫度控制電路設(shè)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(jié)，當PN結(jié)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(jié)移動過程中的吸熱或放熱效應(yīng)(帕爾帖效應(yīng))，就會使PN結(jié)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)定的溫度。

在該設(shè)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(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，能夠使目標溫度誤差低于±0.01℃。每個加載在ADN8830輸入端的電壓對應(yīng)一個目標溫度設(shè)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(shè)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(guān)。熱敏電阻R_TH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)計算：



式中：R_T1和R_T3分別表示熱敏電阻在工作溫度的兩個上、下極限時的阻值，R_T2為熱敏電阻在平均溫度下的阻值。在實際應(yīng)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R_T1=10.735 kΩ，R_T2=4.700 kΩ，R_T3=2.250 kΩ，從而計算出電阻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)整致冷器中流過的電流的方向和大小來控制溫度的。ADN8830的管腳4(TEMPSET)的設(shè)定電壓值應(yīng)該按式(2)計算：



設(shè)定溫度=25℃時，熱敏電阻R_TH=4.7 kΩ，參考電壓V_REF由芯片內(nèi)部提供，為2.47 V，則V_SET為1.45 V。