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利用SPICE設(shè)計(jì)TEC溫度環(huán)路PID控制

Mathew Hann,德州儀器 (TI) SAR 產(chǎn)品線經(jīng)理
2012-05-31

    使用模擬比例積分微分(PID) 控制器的溫度控制是一種非常簡(jiǎn)單的電路,是確保熱電冷卻器(TEC) 的設(shè)置點(diǎn)能夠?qū)囟然蛘呒す膺M(jìn)行調(diào)節(jié)的有效方法。比例積分項(xiàng)協(xié)同工作,精確地伺服TEC的電流,以維持控制器的溫度設(shè)置點(diǎn)。與此同時(shí),微分項(xiàng)對(duì)完成上述工作的速率進(jìn)行調(diào)節(jié),從而優(yōu)化總體系統(tǒng)響應(yīng)。如果可以對(duì)總體系統(tǒng)響應(yīng)H (s) 進(jìn)行描述,則為其設(shè)計(jì)PID 控制器G (s) 的最為方便和有效的方法是利用SPICE 進(jìn)行仿真。

步驟1:確定SPICE模型的TEC/Temp傳感器熱阻抗。

   要想把SPICE 作為PID 環(huán)路設(shè)計(jì)的一種有效工具,獲取溫度環(huán)路的熱響應(yīng)非常重要,目的是獲得PCBàTECà激光二極管à溫度傳感器接線的實(shí)際熱敏電阻、電容和傳輸函數(shù)。記住,由于實(shí)際熱特性會(huì)出現(xiàn)高達(dá)50%的變化,因此最好是向?qū)嶋H系統(tǒng)注入一個(gè)熱步進(jìn)輸入,并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,以獲得最佳的SPICE 仿真熱模型。

    如果對(duì)熱連接線進(jìn)行描述,請(qǐng)使用“外環(huán)路、內(nèi)環(huán)路”程序來(lái)確定G (s) 模塊中控制放大器的總體環(huán)路響應(yīng)和穩(wěn)定性。在所有情況下,都會(huì)使用一個(gè)非常大的電感來(lái)中斷外環(huán)路和內(nèi)環(huán)路,并通過(guò)一個(gè)大電容器和AC 電源激勵(lì)環(huán)路。

步驟2:中斷G(s)H(s)之間的外環(huán)路

    外環(huán)路定義為圍繞G(s)和H(s)模塊的一條通路。使用1進(jìn)行模擬的目標(biāo)是中斷外環(huán)路,獲得H(s)、G(s)和總環(huán)路增益,以驗(yàn)證熱環(huán)路穩(wěn)定性。這種情況下,2顯示相位降至零度以下,而環(huán)路增益變?yōu)? dB,其表明整個(gè)環(huán)路不穩(wěn)定。因此,改變G(s)應(yīng)加強(qiáng)PID 控制,并增加溫度環(huán)路的穩(wěn)定性。

1 仿真電路獲得環(huán)路增益和相位

2 1 的環(huán)路增益和相位曲線圖

    圖3 中改進(jìn)型G (s) 模塊包括PID 組件。微分電路的角頻由R7 和C3 設(shè)定;R3 設(shè)置比例增益;C2 和R6 設(shè)置積分電路角頻。

3 補(bǔ)償G (s) 的仿真電路

步驟3:中斷Gs內(nèi)環(huán)路,確定本地放大器穩(wěn)定性

    構(gòu)建完整PID 組件的最后一步是中斷內(nèi)環(huán)路,檢查本地放大器(OPA2314) 的穩(wěn)定性,從而確保其穩(wěn)定性與總環(huán)路增益無(wú)關(guān)。在這種情況下,放大器要求使用一個(gè)50 pF電容器(請(qǐng)參見4),以維持本地環(huán)路的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)谋镜?/strong>G (s) 環(huán)路的最終電路

    下次,我們將討論一種20W 放大器毀掉100W 揚(yáng)聲器的糟糕設(shè)計(jì),敬請(qǐng)期待。

參考文獻(xiàn)

 

·        《運(yùn)算放大器穩(wěn)定性,第2部分(共15部分):運(yùn)算放大器網(wǎng)絡(luò),SPICE分析》,作者:Green, Timothy,發(fā)表于2006年《En-Genius》(原《模擬地帶》)。

·        《熱電冷卻器的PSPICE 兼容等效電路》,作者:Simon Lenvkin, Sam Ben-Yaakov,發(fā)表于2005年“電力電子專家大會(huì)”PESC '05. IEEE 36th

·        《包括熱效應(yīng)在內(nèi)的熱電元件SPICE模型》,作者Chavez, J.A., Salazar, J, Ortega, J.A.和Garcia, M.J.,發(fā)表于2000年“儀器測(cè)試與測(cè)量技術(shù)大會(huì)”第17屆IEEE會(huì)議記錄。

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