摘? 要: 熱電制冷攝像機是高性能成像設備的發(fā)展趨勢，其低溫和恒溫控制是提高成像品質(zhì)的關鍵。分析了熱電制冷攝像機配套電源的特殊性，開發(fā)了包括精密溫度控制在內(nèi)的一體化電源。實驗結果表明:用該電源為三級熱電制冷器供電，對200mW的熱負載可以獲得-40°C以內(nèi)的穩(wěn)定恒溫，溫度的控制精度達0.1°C。
關鍵詞: 熱電制冷? 攝像機? 電源
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現(xiàn)代成像器件具有集成度高、功耗小、成本低的優(yōu)點，可以使攝像機的結構簡化、成本降低，典型的代表是CCD 和CMOS成像器件。它們都是半導體器件，不足的是其成像品質(zhì)受溫度、開機時間的影響。采用熱電制冷為其降溫是克服成像器件溫度噪聲的有效途徑。
??? 目前，采用熱電制冷的CCD攝像機技術在國外已經(jīng)相當成熟，市場上已有應用該項技術的系列化商品。但是，就熱電制冷攝像機的研究國內(nèi)尚無成功報道，這也是此類進口商品價格居高不下的主要原因。因此，研制熱電制冷攝像機是業(yè)內(nèi)亟待解決的問題，為此必須解決配套電源的技術問題。
1 配套電源設計必須考慮的問題
電源是攝像機工作的基本條件，包括成像器件的工作電源和熱電制冷器電源兩部分。兩部分具有各自的特點，前者要求精度高、穩(wěn)定性好；后者則較為特殊，從熱電制冷器的需要看，應該具有以下特點:
(1)品質(zhì)高，脈動系數(shù)小。因為熱電制冷器的制冷性能與供電直流電源的品質(zhì)有關，已有的研究表明:當直流電源的電壓脈動系數(shù)小于15%時，其消耗的功率、制冷系數(shù)基本上沒有變化，而且脈動系數(shù)小有利于制冷器穩(wěn)定工作[1]。
(2)與制冷器相互匹配。由于希望成像器件工作在-40°C～-60°C的溫度范圍內(nèi)，而單級制冷器是無法實現(xiàn)的，所以攝像機內(nèi)熱電制冷器是多級聯(lián)結的。由于各級制冷器的供電電源在功率容量、電壓大小方面都有較大的差異，因此，不同的熱電制冷器應單獨設置與之匹配的供電電源，不應簡單地串聯(lián)或并聯(lián)。
(3)功率容量可控。在制冷降溫的過程中，不僅要求能降低溫度，更重要的是保持低溫恒定，而且還希望降溫速度快。對電源來說，則希望所能夠在開機時提供熱電制冷器能夠承受的極限電壓和電流，隨著溫度的下降以及與設定值的接近，電源的電壓或電流逐漸減小，甚至為零。
(4)符合熱電制冷器工作的特點。熱電制冷器是半導體器件，低電壓、大電流是熱電制冷器正常工作的突出特征，供電電源也要具有這一特性。
除此之外，電源作為攝像機的配套設備，還應該滿足體積小、效率高、操作方便等要求，應該具有電源工作狀態(tài)、攝像機內(nèi)部溫度可視化的功能，這樣不僅便于掌握成像品質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律性，掌握不同熱負荷的降溫規(guī)律，還有益于了解控制器的性能及其工作狀態(tài)，避免實驗的盲目性。
???根據(jù)熱電制冷攝像機對電源的特殊要求，配套電源的設計應重點解決兩方面的問題:
???(1)電源方案的選擇:目前的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源和開關型穩(wěn)壓電源都可以滿足熱電制冷器對電源品質(zhì)的要求，但串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的體積大、效率低、溫升高，而高頻開關電源則可以克服上述不足，使攝像機系統(tǒng)的體積和重量降低。因此，在熱電制冷器的電源設計中，選擇高頻開關型電源結構。
???(2)減小電源體積和重量:現(xiàn)從電源的結構設計和電路設計兩個方面采取小型化措施。在結構上，把不必要的調(diào)節(jié)電壓固定下來，對低功耗的電極直接采用電阻分壓供電，將制冷器和控制器的小功率電源合并制板；在電路設計中，選用新型集成電路，進一步減小電路板的體積，從而使攝像機配套電源箱僅為200mm×130mm×120mm。
2 配套電源設計
2.1 控制器電源設計
圖1是根據(jù)上述思想設計的控制器電源電路，其核心是美國POWER INTEGRATIONS 公司專為設計開關電源而生產(chǎn)的四端離線式開關控制集成電路——TNY255P[2]。TNY255P是TinySwitch系列的一種，在器件的內(nèi)部集成有晶振及波形發(fā)生器、檢測和邏輯電路、5.8V穩(wěn)壓器、欠壓電路、熱滯式過熱保護控制電路、限流電路、前沿消隱電路和一個VDS≥700V的功率MOSFET開關及驅(qū)動電路，使開關電源結構最簡、元件數(shù)目最少，因此是開關電源進一步小型化的重大突破。
圖中，以脈沖變壓器為界，初級回路前為一次整流濾波電路，次級繞組后為二次整流濾波電路，電阻R2、電容C9和二極管1N4937組成限幅鉗位電路，R3～R6和C10、C11組成緩沖保護電路，電阻R9～R12、C16、光偶4N35及基準TL431構成取樣、比較放大電路，產(chǎn)生與輸出電壓高低變化一致的開/關控制信號，對TNY255P內(nèi)部的功率器件進行開關控制保護，從而實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。當TNY255P內(nèi)部的功率器件導通時，變壓器儲存能量(0.5LI2)；當功率器件關斷時，儲存的能量經(jīng)磁耦合傳遞到次級繞組，經(jīng)二次整流濾波，得到直流輸出。
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2.2 制冷器的供電系統(tǒng)
本文采用TOP2××系列構成熱電制冷器各級的供電電源，其應用電路在文獻[3]、[4]中已有介紹。TopSwitch三端離線式脈寬調(diào)制開關集成電路也是美國POWER INTEGRATIONS 公司生產(chǎn)的功率集成電路，是對TinySwitch的改進和發(fā)展，其內(nèi)集成有高壓功率MOSFET器件及其驅(qū)動電路、PWM控制器和電源的各種保護電路，是功能齊全的開關電源器件。該器件不僅繼承了TinySwitch開關控制器小型化的優(yōu)點，而且改進的三端式結構使外部電路的連接更為簡單；PWM控制使輸出濾波的要求降低；負載能力也大大加強，由TOP2xx構成的開關電源的輸出功率在0～150W的范圍內(nèi)可調(diào)。
與圖1相比，不同的是:單一的15V/8A、3.2 V/3A輸出使變壓器次級的繞組及整流濾波電路減少一組；為減小電路損耗，在變壓器初級線圈回路中采用瞬變電壓抑制二極管和超快恢復二極管反向串聯(lián)構成限幅鉗位電路，替代電阻R2、電容C9和二極管1N4937組成的限幅鉗位電路(參見[4])；TOP227Y三端式PWM控制器替換TNY255P四端開關控制器，并增加一組偏置繞組，其中，大功率MOSFET器件為PWM控制。除此之外，其它電路及其作用相同，這里不再贅述。
此外，在電源設計中還充分考慮了電源性能指標對電源體積和重量的影響。一般說來，紋波電壓越小，濾波電路的體積和重量越大，而且LC濾波電路的重量增加更為明顯。為滿足熱電制冷器大電流工作的需要，并簡化電路加工的工藝，同時又不致因電源的紋波系數(shù)要求過高而使電源體積和重量增加過大，所有電源的二次濾波全部采用一級倒L型LC濾波電路，并選擇適當?shù)碾娐穮?shù)，從而使控制器電源的紋波系數(shù)達到0.8%，制冷器電源的紋波系數(shù)在小負載時達0.7%，大負載時為3%，滿足了不同電源的特殊需要。
2.3 恒溫控制
熱電制冷恒溫控制是本文的關鍵。由電源設計及原理分析可知，對電源輸出電壓的調(diào)整，是通過輸出取樣放大電路、光偶電路，再經(jīng)功率開關或PWM控制實現(xiàn)的。在制冷降溫及恒溫控制的過程中，要求制冷器電源的輸出功率隨著實際溫度與設定溫度差的大小成比例地變化，即溫差信號替代電源取樣信號才能實現(xiàn)恒溫要求對電源輸出功率的動態(tài)控制。結合恒溫控制可視化的要求以及控制精度的需要，熱電制冷恒溫控制電路設計的結構如圖2所示。
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其中，溫度定值器提供設定溫度的電信號，該信號一路送往定值限幅器，由指示燈顯示設定溫度是否在許可的范圍內(nèi)，并在正常設定的情況下產(chǎn)生電源開關信號，接通供電電源；另一路送往面板溫度顯示器，指示設定溫度的高低；再一路送往比較器。溫度傳感器產(chǎn)生實際溫度的電信號，也分別送往比較器和面板溫度顯示器。比較器產(chǎn)生設定溫度和實際溫度的偏差信號，經(jīng)μV放大器放大后送PID控制器進行運算，輸出具有PID調(diào)節(jié)規(guī)律的信號作為制冷器供電電源控制回路的控制信號對其進行控制，從而實現(xiàn)為成像器件提供低溫和恒溫的工作環(huán)境；控制狀態(tài)顯示由過零比較器和顯示電路組成，由偏差信號產(chǎn)生顯示電路的開關信號，反映控制的狀態(tài)。
這里，溫度定值器由恒流源和精密電阻組成，是一個穩(wěn)定的直流信號源，能比較精確地給出支流毫伏信號；μV放大器采用高性能集成電路，工作穩(wěn)定，共模抑制能力強，PID控制器的參數(shù)連續(xù)可調(diào)，而且還增加了智能補償環(huán)節(jié)；溫度傳感器采用文獻[5]介紹的電路，利用集成溫度傳感器AD590對熱電偶的自由端進行補償，既可以提高測量溫度的范圍，又能利用熱電偶降低測量的成本，同時也避免了直接采用熱電偶測量溫度需要的補償裝置；溫度顯示器由三位半的液晶屏及驅(qū)動電路組成，通過開關轉換，分時顯示設定溫度和實際溫度。
不難看出，恒溫控制的目標是設定溫度，控制的對象則是給熱電制冷器供電電源的輸出功率。由于控制對象和傳感器響應的延時、被控參數(shù)的超調(diào)和波動在所難免，為保證電源的輸出功率在調(diào)節(jié)的過程中，熱電制冷器兩端電壓的脈動系數(shù)在許可的范圍內(nèi)，盡量減小溫度及電源電壓的超調(diào)是提高恒溫控制器品質(zhì)的關鍵。為此，給PID控制器增加了智能比例、積分補償環(huán)節(jié)(電路略)。當溫差較大時，控制器有較大的比例放大倍數(shù)、較小的積分時間常數(shù)，比例、積分作用強，能較快地縮小溫差；反之，啟動補償電路，削弱控制器的比例和積分作用，從而有效地減小被控參數(shù)的超調(diào)波動。通過仔細調(diào)整P、I、D參數(shù)和補償電路的參數(shù)以及啟動補償電路的參考電壓，可保證控制溫度的精度達0.1℃。圖3是增加智能補償環(huán)節(jié)前后溫度變化的對比曲線。很明顯，采取智能補償之后、控制器的品質(zhì)大為改善。這種控制方法不僅成本低、實現(xiàn)容易，而且直觀、形象地再現(xiàn)了人們根據(jù)實際情況的變化，不斷調(diào)整控制策略的智能活動過程。
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3 結 論
??? (1)根據(jù)熱電制冷攝像機對配套電源的特殊要求，采用優(yōu)化思想，分別從電源結構、電路結構和恒溫控制的設計入手，采取相應措施減小體積、提高電路性能，制作了一體化電源。實驗結果表明:該電源結構合理，體積小，功能齊全，性能可靠。
??? (2)雖然該電源是為熱電制冷攝像機設計的，但是也可以作為類似設備的供電電源。而且，電路設計中的小型化思想和恒溫控制器中的智能化補償?shù)姆椒ㄒ簿哂衅毡橐饬x。
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參考文獻
1 徐德勝.半導體制冷與應用技術.上海:上海交通大學出版社，1992
2 TinySwitchTM系列高效率、低功率離線式開關電源資料.POWER INTEGRATIONS INC.1997
3 TopSwitch-II系列三端離線式脈寬調(diào)制開關資料.POWER INTEGRATIONS INC.1997
4 沙占友. 單片AC/DC變換式精密電源.電子技術應用，1999；12(71)
5 趙負圖.國內(nèi)外傳感器手冊.遼寧:遼寧科學技術出版社，1997
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