超穩(wěn)定線性溫控模塊設(shè)計(jì)*

余兆安, 姚志宏, 董大年

(中國科學(xué)院 微電子研究所,北京 100029)

0 引 言

大多數(shù)光電系統(tǒng)的性能與溫度的穩(wěn)定性息息相關(guān),例如量子級(jí)聯(lián)激光器的輸出波長(zhǎng)依賴于工作溫度,溫度的波動(dòng)將直接導(dǎo)致線寬展寬；光電探測(cè)器的探測(cè)率也隨溫度變化而變化,溫度的波動(dòng)將直接引入噪聲,從而降低了系統(tǒng)精度[1～3]。因此,研制超穩(wěn)定的溫度控制模塊尤為重要。

為保持體積小巧并精確控溫,在激光器和探測(cè)器封裝管殼內(nèi),除了激光器或探測(cè)器芯片外,還包括半導(dǎo)體制冷片(thermo electric cooler,TEC)和負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient,NTC)熱敏電阻。其中,TEC是一種可以通過改變注入電流的方向而實(shí)現(xiàn)加熱或制冷的器件,通常注入電流越大,熱量轉(zhuǎn)移越大,配合溫度傳感器和溫度控制器,可實(shí)現(xiàn)精確控溫。常規(guī)的溫控系統(tǒng)大多采用脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)控溫方式[4～8],通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)來采集溫度值,通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)來設(shè)定溫度值,并將設(shè)定值與采樣值相減,進(jìn)行數(shù)字比例—積分—微分(proportional-integral-differential,PID)計(jì)算,得到的PID值來改變PWM信號(hào)的占空比,從而實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制,這種數(shù)字PID控溫方式的顯著優(yōu)點(diǎn)是效率高,但缺點(diǎn)是電路中變化的PWM信號(hào)和電感容易產(chǎn)生干擾,從而降低了溫度的穩(wěn)定性。

因此,為提高溫度控制的穩(wěn)定性,本文以TEC為控溫元件,以熱敏電阻為溫度傳感器,采用100 μA恒流源電路來驅(qū)動(dòng)熱敏電阻,采用模擬PID電路來計(jì)算誤差信號(hào),采用大功率恒流源驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)TEC,并將隔離核心模擬電路與發(fā)熱元件,研制一種超穩(wěn)定的溫控模塊。

1 溫控電路方案設(shè)計(jì)

溫度控制模塊包括溫度設(shè)定電路、熱敏電阻驅(qū)動(dòng)電路、誤差信號(hào)PID運(yùn)算電路、限流電路和TEC驅(qū)動(dòng)電路等模塊,如圖1所示。其中,溫度的設(shè)定可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器電阻來改變?cè)O(shè)定電壓,從而設(shè)定目標(biāo)溫度,也可通過外部輸入電壓信號(hào)來設(shè)定目標(biāo)溫度。在熱敏電阻驅(qū)動(dòng)電路中,設(shè)計(jì)100 μA恒流源來驅(qū)動(dòng)熱敏電阻,從而得到實(shí)際溫度電壓信號(hào)。在功率輸出級(jí)電路中,誤差信號(hào)經(jīng)PID電路處理后,來控制恒流源并驅(qū)動(dòng)TEC,從而實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。本結(jié)構(gòu)圖僅給出單向控溫,雙向控溫在后級(jí)驅(qū)動(dòng)上由兩個(gè)相同的單向控溫組成。

圖1 溫度控制設(shè)計(jì)方案

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)100 μA恒流源電路,來驅(qū)動(dòng)10 K熱敏電阻,即1 V對(duì)應(yīng)25 ℃。如圖2所示,RNTC為熱敏電阻,V-NTC為代表實(shí)際溫度的電壓信號(hào),VREF為基準(zhǔn)電壓源,VDD為供電電源。實(shí)際工作中,VREF產(chǎn)生恒壓,經(jīng)運(yùn)算放大器U1緩沖,再經(jīng)過運(yùn)放U2和電阻R1,R2放大得到電壓V1。同時(shí),電壓V1與VREF電壓經(jīng)過運(yùn)放U3和電阻R3～R6得到電壓V2。通過合理配置電阻R1～R6,使得V1與V2電壓差為1 V。由于運(yùn)放U4工作在線性工作狀態(tài),故V3的電壓與V2相等。因此,電阻R9上電壓差等于為1 V,取R9=100 kΩ,由歐姆定律得到輸出電流為100 μA。

圖2 溫度傳感器驅(qū)動(dòng)電路

2.2 PID運(yùn)算電路

在溫度的控制回路中,PID電路是將設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值分別進(jìn)行比例(P)、積分(I)和微分(D)運(yùn)算,并將計(jì)算結(jié)果相加,得到控制信號(hào)來控制TEC加熱或制冷的功率強(qiáng)度,差值越大,驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度越大。模擬PID運(yùn)算電路如圖3所示,VSetPoint為溫度設(shè)定信號(hào),熱敏電阻RNTC上電壓為實(shí)際溫度信號(hào),二者經(jīng)運(yùn)放加減電路得到誤差信號(hào)VERR,VERR分別經(jīng)過運(yùn)放U12,R13和P2進(jìn)行比例運(yùn)算,經(jīng)過運(yùn)放U13,R25和C6進(jìn)行積分運(yùn)算,經(jīng)過運(yùn)放U14,C7和R28進(jìn)行微分計(jì)算,最后經(jīng)過運(yùn)放U15加法電路得到最終的功率驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

圖3 模擬PID運(yùn)算電路

實(shí)際工作中,需要設(shè)定TEC的最大輸出電流,以防止損壞TEC,或者取得更好的溫度穩(wěn)定度,需設(shè)計(jì)限流電路。為達(dá)到PID控制的穩(wěn)定性,還需要抗積分飽和電路。當(dāng)PIDCTL控制信號(hào)超過限流控制信號(hào)時(shí),需要減弱持續(xù)增加的積分信號(hào),故給積分電容C6并聯(lián)了電阻R27,當(dāng)進(jìn)入限流狀態(tài)時(shí),單刀單擲開關(guān)K2將閉合,提高模塊控溫性能。

2.3 TEC驅(qū)動(dòng)電路

模擬PID運(yùn)算得到的信號(hào)VPIDCTL用于控制驅(qū)動(dòng)后級(jí)TEC電流的大小,因此,輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)是由VPIDCTL控制的恒流源[9]。如圖4所示,T2,T3,T4,T5構(gòu)成H橋,來實(shí)現(xiàn)加熱和制冷,R46為采樣電阻,采集TEC輸出電流信號(hào),采樣信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放U18將信號(hào)放大,再送入到運(yùn)放U16的反向輸入端,因此,VPIDCTL控制信號(hào)與TEC輸出電流的關(guān)系可表示為

圖4 功率輸出恒流源電路

在H橋的控制中,T3和T4開啟時(shí),T2與T5便不開啟,開啟哪條支路由VPIDCTL信號(hào)來決定,即判斷誤差信號(hào)是加熱還是制冷。因此,如果誤差信號(hào)確定T3和T4支路開啟,那么T3完全打開,T4由恒流源電流來調(diào)節(jié),T2和T5經(jīng)過U19模塊將兩個(gè)管子配置成不開啟狀態(tài)。U19是在U16—U18的基礎(chǔ)上增加了控制加熱制冷的控制電路,使得驅(qū)動(dòng)電路在完成恒流源驅(qū)動(dòng)的同時(shí),將另一支路完全關(guān)閉。

3 溫度穩(wěn)定性關(guān)鍵因素分析

為保證足夠高的溫度穩(wěn)定性,首先要合理調(diào)節(jié)PID參數(shù),防止溫度振蕩,加速溫度穩(wěn)定,這方面有較多的文獻(xiàn)和參考資料[4]。除此之外,還需要從電路和散熱的角度來保證溫度控制的穩(wěn)定性。

在電路設(shè)計(jì)上,在選用運(yùn)算放大器進(jìn)行運(yùn)算或?yàn)V波時(shí),其偏移電壓和偏移電流應(yīng)足夠小,噪聲足夠低,盡可能減小信號(hào)失真。運(yùn)放的正向和負(fù)向電阻應(yīng)盡量平衡。在電路板布局布線上,為了達(dá)到優(yōu)良的性能,必須確保大電流與小電流的信號(hào)隔離。

在散熱設(shè)計(jì)中,本文線性溫度控制模塊本身的效率較低,可以通過調(diào)節(jié)輸入電壓來提高效率,但H橋功率元件和采樣電阻在大電流下會(huì)產(chǎn)生比較多的熱量,這些熱量如果通過電路板或其他路徑傳遞到關(guān)鍵模擬元件,則不僅會(huì)導(dǎo)致元件壽命下降,也會(huì)導(dǎo)致元件的偏置電壓和偏置電流漂移過大,從而影響溫度的穩(wěn)定性。因此,發(fā)熱元件須與核心控制電路隔離,并導(dǎo)入到熱沉,才能保證溫度的穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

通過旋轉(zhuǎn)電位器P1來設(shè)定溫度,采用六位半數(shù)字萬用表來測(cè)量熱敏電阻上電壓,經(jīng)過熱敏電阻阻值與溫度之間的關(guān)系,進(jìn)而得到實(shí)際溫度；采用Visual Studio 2010編寫程序來連續(xù)采集數(shù)據(jù),從而得到溫度控制模塊的溫度穩(wěn)定性參數(shù)。

圖5是穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù),采用Keysight U8031A供電,采用Agilent34411A六位半萬用表記錄熱敏電阻上的電壓,采樣率10 kHz,采樣間隔2 s,積分時(shí)間NPLC=1,環(huán)境溫度28.2 ℃,連續(xù)測(cè)量3 600 s,從測(cè)試結(jié)果可以看出,波動(dòng)在±0.01 ℃內(nèi),非常穩(wěn)定。由于熱敏電阻阻值與溫度是非線性關(guān)系,故不同溫度下的穩(wěn)定度會(huì)存在一定差異。盡管如此,實(shí)際系統(tǒng)中,很少有系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到此指標(biāo)[4～8,10],由此可見,線性控溫方式與常規(guī)PWM控溫方式相比,在控溫的穩(wěn)定性上具有優(yōu)勢(shì)性。

圖5 穩(wěn)定性測(cè)試

5 結(jié) 論

本文基于激光器和光電探測(cè)器對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求,采用完全模擬電路的方法,設(shè)計(jì)了高穩(wěn)定的PID溫度控制模塊。該模塊連續(xù)1h穩(wěn)定度測(cè)試達(dá)到±0.01 ℃,非常適用于激光器或光電檢測(cè)器高穩(wěn)定控溫等應(yīng)用場(chǎng)合。