一種大功率TEC溫控系統(tǒng)的設計

敬奕艷

(深圳技術大學 新材料與新能源學院，廣東 深圳 518118)

0 引言

半導體熱電致冷器(thermo electric cooler，TEC)是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的。珀爾帖效應是指當電流流過由兩種不同半導體材料組成的電偶對時，電偶對的一端放熱、另一端吸熱，如果改變電流流入的方向，放熱和吸熱的端也會隨之交換，這一點很適合既需升溫又需降溫的溫控應用[1]。TEC溫控設備體積小、無噪音、無污染，廣泛應用于光電、機電、醫(yī)療、汽車和通訊等領域[2]。比如TEC溫控系統(tǒng)已大量應用于中、小功率的半導體激光器，使激光器溫度恒定，從而輸出的激光波長穩(wěn)定[3-4]。

目前，低電壓、小功率的TEC溫控系統(tǒng)已經(jīng)有了成熟的芯片方案，比如ADN8830,MAX1978,LTC1923等[5-7]，它們使用方便，溫控精度高，但只能用于額定電壓不超過5 V，電流不超過4 A的小功率TEC片。對于電壓更高，功率更大的應用，目前沒有現(xiàn)成的芯片方案，需要自行設計控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

TEC溫控系統(tǒng)的基本功能包括：設定被控溫對象的目標溫度，采集并顯示當前實際溫度，根據(jù)PID(比例、積分、微分)控制算法的計算結果，控制TEC片制冷或制熱的能力強弱，使系統(tǒng)溫度達到并維持在目標溫度。為實現(xiàn)這些功能，TEC溫控系統(tǒng)一般是以單片機或FPGA為核心的小型控制系統(tǒng)。本設計采用的AVR單片機ATmega128被廣泛應用于工業(yè)控制和儀器儀表等領域，是一款性能優(yōu)良、片上資源豐富、穩(wěn)定性高的芯片。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

考慮將此溫控系統(tǒng)設計成既可以獨立工作，又能方便地加入到別的系統(tǒng)中作為一個板卡部件的產(chǎn)品，該系統(tǒng)的設定溫度，可通過按鍵輸入，或通過串口從上位機或其它系統(tǒng)接收指令。設置有液晶模塊插座，液晶屏可顯示當前實時溫度信息，或不使用液晶屏，通過串口輸出信息。

選擇溫度傳感器，很重要的因素是精度要高，是溫度采集準確的必要條件。常用的溫度傳感器有NTC(負溫度系數(shù)熱敏電阻)，PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)，數(shù)字溫度傳感器DS18B20等，其中，NTC和PTC的測溫精度較高。如果對溫度精度的要求不高，可選用DS18B20，溫度的采集最容易實現(xiàn)，可以省去溫度到電壓的轉換，模數(shù)轉換，查表等硬件、軟件操作，系統(tǒng)的復雜度大大降低。目前TEC溫控系統(tǒng)常應用于半導體激光器類的產(chǎn)品，很多激光模組內(nèi)部集成了NTC，同時還考慮實現(xiàn)較高的測溫精度，因此本設計采用精度為0.5%，B值為3435的NTC采集溫度。需要設計溫度采集電路，將由溫度變化引起的阻值變化，轉化為電壓的變化，再經(jīng)過模數(shù)轉換電路，轉化為數(shù)字量才能送入單片機進行下一步處理。

TEC片有正負兩極，工作時需在兩極間接入直流電壓。用TEC片制冷或制熱，關鍵在于控制TEC片中電流的方向和大小。一些小功率的TEC溫控采用線性方式控制，優(yōu)點是符合TEC片對電壓紋波小的要求，缺點是控制用的三極管效率低，發(fā)熱多，溫度很高。為滿足本系統(tǒng)的大功率要求，即高電壓或大電流，提升效率，減少電路元器件發(fā)熱量，必須采用場效應管的H橋電路來控制電流流向，用PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號的占空比來控制電流大小，這是一種開關控制方式，可能出現(xiàn)輸出電壓紋波較大的問題，需增加濾波電路來盡可能削弱紋波。本系統(tǒng)的主要設計指標是：TEC工作電壓范圍6～24 V，峰值電流≤20 A，控溫范圍：0～70 ℃，控溫精度±0.05 ℃。

2 電路設計

2.1 NTC溫度采集電路

設某時刻NTC的阻值為RNTC，則采樣電壓VADC1的計算式為：

(1)

將NTC電阻接于插座XS1。當溫度為25 ℃時，阻值為10 kΩ。因為后接的ADC(模數(shù)轉化)器件的輸入電壓范圍在0 V以上，而本設計的控溫范圍在0 ℃到70 ℃之間，所以當溫度為25 ℃，即NTC阻值為10 kΩ時，希望輸出電壓在相對中間的位置，于是給運算放大器U1A的同相輸入端設置了半電壓2.5 V。為了配合不同的ADC取樣電壓范圍，比如0～5 V，0～2.5 V，0～4.096 V等，可適度調(diào)整R5和R6的阻值，使得整個設計控溫范圍對應的電壓量都能處于ADC取樣電壓范圍內(nèi)。通過U1A放大得到電壓量后，再經(jīng)過一級電壓跟隨器，增大帶負載能力，接入到后級ADC。為了提高取樣精度，各電阻應采用1%或更高的精度。這里用到兩個運放，可選用軌到軌的雙運放封裝的型號,本設計采用OPA2348A。

圖2 NTC溫度采集電路

2.2 ADC電路

選用了SPI接口的12bit串行ADC器件AD7888，將模擬電壓值轉化為數(shù)字量，以便送入單片機進行溫度顯示和溫度控制處理。AD7888的SPI接口有四條信號線，分別與AVR單片機SPI接口的四個引腳相連。在圖3中，是片選信號，當需要AD7888工作時，ADCLK是時鐘線，在當前應用中，AD7888是從屬器件，時鐘由控制器件單片機輸出。DIN是AD7888控制字輸入，控制字決定其工作模式，模數(shù)轉換參考電壓的來源等。DOUT是模數(shù)轉化的結果輸出。VREF是參考電壓，當前設計是采用AD7888外部的電壓基準，是由一顆LM4040AIM3-4.096 V產(chǎn)生的，電壓精度為±0.1%。NTC溫度采集電路得到的電壓量從AIN1腳輸入。AD7888的供電腳5 V要做好濾波，圖中接了10 μF,0.1 μF,0.01 μF 3個陶瓷電容到地。沒有用到的輸入腳AIN2-AIN8不能懸空，要接地，避免引入干擾。

圖3 ADC電路

2.3 TEC驅動電路

在一般設計中，H橋電路由4個場效應管組成，通過4個柵極電壓控制各個場效應管的導通和截止，從而控制流過TEC片的直流電流的方向。本設計采用集成電路BTN7971B，每片包含一個上管PMOS、一個下管NMOS構成半橋以及一個驅動IC，兩片配合可構成H形全橋電路。

圖4 TEC驅動電路

選用BTN7971B的原因主要是它的參數(shù)與本設計的指標較為匹配，能滿足輸入電壓、電流范圍，內(nèi)部場效應管導通電阻很小，小于20 mΩ，在大電流情況下器件的發(fā)熱量相對小，很適合用于較高電壓、較大電流的TEC溫控電路。配合外部電路，BTN7971B容易實現(xiàn)過溫、過流、過壓等保護以及電流上升斜率調(diào)整功能，在大功率應用條件下，比簡單地用4個場效應管構成H橋的安全性有很大提升，也比額外增加各種保護電路更簡單和經(jīng)濟。此外，用4個場效應管來做H橋電路，需要4個電壓控制信號來分別控制4個場效應管，要做好信號之間的配合，避開“死區(qū)”時間。“死區(qū)”是指H橋電路同一側的上管和下管在較短時間內(nèi)同時導通，這會導致電源對地短路。而采用BTN7971B，可自動避免“死區(qū)”問題，只需2個控制信號就可驅動，簡化了電路和軟件設計。

2.4 PCB設計重點

PCB設計是該溫控系統(tǒng)電路實現(xiàn)的一個重要方面。ADC的模擬量輸入和參考電壓基準的走線都要盡量短，避開干擾源，在走線兩側伴著走地線，做好防護；電路主要分為單片機小信號和TEC大電流驅動兩部分，兩者的地要分割，只在一點連接；大電流工作部分的走線都采用了較寬的銅箔，并均勻打上很多大過孔實現(xiàn)良好散熱；兩片BTN7971B是板上溫度較高的器件，一方面利用板上銅箔輔助散熱，另一方面預留了金屬熱沉的安裝位置。

電路部分還包含ATmega128單片機最小系統(tǒng)、按鍵電路、串口電平轉換和從系統(tǒng)供電到5 V的轉化電路等，這里就不展開詳述。

3 軟件設計

主程序main()函數(shù)首先是對系統(tǒng)各組成模塊，包括按鍵、液晶顯示、SPI接口、串口、定時器和PID參數(shù)進行初始化，程序主體包含一個大循環(huán)，圖5的流程圖是此循環(huán)中的一次流程。通過2按鍵方式輸入所需控制溫度，獲取AD7888轉化后的數(shù)字量，通過查表方式找到當前的實際溫度。調(diào)用液晶屏顯示函數(shù)，顯示當前溫度。編寫PID計算函數(shù)，采用了分段計算方式，當控制溫度與實際溫度的差值在-2到2 ℃范圍內(nèi)時才計算PID控制量。與PWM生成模塊的占空比調(diào)整范圍匹配，根據(jù)PID控制量輸出占空比，根據(jù)溫度差值是正或負，輸出控制方向是加熱或制冷。

圖5 溫控軟件流程圖

3.1 ADC芯片AD7888的寫和讀操作

在AD7888開啟模數(shù)轉換功能之前，需要單片機向其寫入控制字，設置當前進行轉換的模擬輸入通道(8個通道中的某一個)、參考電壓來源、AD7888工作模式。開啟轉換功能后，單片機需要定時從AD7888讀取轉換結果。因此，軟件需要編寫AD7888的寫入和讀取函數(shù)。由于ATmega128具備SPI接口，可與AD7888通過SPI通信，使得讀、寫都能夠以一個字節(jié)為單位進行，避免了繁瑣的按位操作，簡化了軟件設計。ATmega128的SPI接口需要根據(jù)AD7888的讀、寫時序要求進行初始化。

void WriteToAD7888(uchar CtrlWord) //AD7888控制字寫入函數(shù)

{

uchar ControlValue = 0; //定義無符號字符型變量

ControlValue= CtrlWord; //將控制字賦給變量

PORTB&=0xFE; //拉低CS

SPDR=ControlValue; //將控制字送入SPI數(shù)據(jù)寄存器

while(!(SPSR&(1<

//否為1，為1說明數(shù)據(jù)已傳完

PORTB|=0x01; //拉高CS，結束寫操作

}

uint ReadFromAD7888(void) //AD7888讀取函數(shù)

{

uint tem_h,tem_l,tem_1,tem_2; //定義無符號整型變量

PORTB&=0xFE; //拉低CS

SPDR=0x00; //寫入任意一字節(jié)，啟動數(shù)據(jù)移位

while(!(SPSR&(1<

//1，為1說明數(shù)據(jù)已傳完

tem_h=SPDR; //讀取高字節(jié)

SPDR=0x00; //寫入任意一字節(jié)，啟動數(shù)據(jù)移位

while(!(SPSR&(1<

//1，為1說明數(shù)據(jù)已傳完

tem_l=SPDR; //讀取低字節(jié)

Delay_us(10); //延時10us

PORTB|=0x01; //拉高CS，結束讀操作

tem_1=tem_h*256;

tem_2=tem_1+tem_l;

TEMP=tem_2; //TEMP是采樣到的ADC的數(shù)值

return TEMP; //函數(shù)返回ADC值

}

在主程序中，對AD7888寫入的控制字是0x04，連續(xù)讀取4次AD轉換結果取平均值，得到比較精確的數(shù)字量，從而獲得更高的轉換精度。

3.2 PID控制算法的軟件實現(xiàn)

PID控制算法一般有位置式和增量式兩大類，相比而言，增量式的計算量小。本設計嘗試了這兩種算法，位置式在當前的應用中表現(xiàn)更好，因此選擇了位置式PID算法，計算式如下：

(2)

(3)

因為OUT的計算中涉及浮點數(shù)，計算量非常大，所以采用了分段計算方法：當|EK|≥2時，即當前溫度與控制溫度還相差較大時，不計算PID控制量OUT，直接用最大的控制量，即全速的加熱或制冷；當|EK|<2時，按公式(3)計算OUT。

pid.Pout=pid.Kp*pid.Ek; //比例輸出

pid.SEk+=pid.Ek; //歷史偏差總和

DelEk=pid.Ek-pid.Ek_1; //最近兩次偏差之差

ti=pid.T/pid.Ti;

ki=ti*pid.Kp; //Ki積分系數(shù)

pid.Iout=ki*pid.SEk; //積分輸出

td=pid.Td/pid.T;

kd=pid.Kp*td; //Kd微分系數(shù)

pid.Dout=kd*DelEk; //微分輸出

out= pid.Pout+ pid.Iout+ pid.Dout; //PID控制量

3.3 TEC驅動電路的控制信號產(chǎn)生

前述的TEC驅動電路需要兩個控制信號：PWM#和DIREC#，都是由ATmega128產(chǎn)生。本設計采用ATmega128的定時計數(shù)器T/C3來產(chǎn)生PWM信號，輸出引腳是PE3，產(chǎn)生的PWM波形頻率為15.625 KHz。DIREC#信號的輸出引腳是PE4，是用作普通I/O，產(chǎn)生高或低電平。軟件首先需要設置輸出信號引腳狀態(tài)，開啟10位快速PWM功能，編寫了PWM_init函數(shù)。

void PWM_init(void)

{

DDRE |=0x1A; //設置PE3和PE4為輸出

PORTE &=0xF7; //設置PE3內(nèi)部無上拉，PE4為內(nèi)部上拉

TCCR3A=0x83; //T/C3的通道A設置為比較輸出模式

TCCR3B=0x09; //采用10位快速PWM模式，top值為0x03FF(1023)

TCNT3=0X0000; //設置定時器3的初始值為0

OCR3A=512; //設置初始占空比為512/1024=0.5

ETIMSK=0X00; //T/C3的中斷屏蔽寄存器設置

}

根據(jù)PID控制量OUT的計算結果，產(chǎn)生不同占空比的PWM信號的代碼：

if(pid.Ek > 0)

{

PORTE &= ～(1<

if(fabs(out) > 1023)

{ OCR3A = 1023; } //OCR3A的最大值是1023

else

{ OCR3A = fround(fabs(out)); } //將OUT值取絕對值、取整，作為OCR3A

}

else if(pid.Ek <= 0)

{

PORTE |= (1<

if(fabs(out) > 1023)

{ OCR3A = 0; } //OCR3A的最小值是0

else

{ OCR3A = 1023-fround(fabs(out)); }

}

pid.Ek_1=pid.Ek; //將當前誤差賦值給上一次誤差

4 實驗結果與分析

溫控系統(tǒng)設計完成后，主要使用4 Ω/50 W的鋁殼電阻進行試驗。鋁殼電阻兩端接12 V直流電壓，發(fā)熱功率約為36 W，能模擬該TEC溫控系統(tǒng)的一般應用條件。采用100×100×5(mm)的紫銅板作為導熱金屬板，可為2塊TEC片同時導熱。TEC片的制冷面均勻涂抹導熱硅脂，與紫銅板的一面緊密接觸，鋁殼電阻固定在紫銅板的另一面中心部位，在紫銅板上鋁殼電阻旁邊位置鉆有小孔，將NTC的感溫部分完全埋置其中，并以AB膠封孔。TEC片的制熱面均勻涂抹導熱硅脂，與一個較大體積的金屬熱沉緊密接觸，并安裝有風扇順著熱沉的導熱方向吹風，帶走熱量。設計一個良好的散熱、導熱和感溫的實驗裝置對TEC溫控應用是非常重要的，如果TEC片熱面的熱量不能及時帶走，溫度過高，冷面就不能輸出低溫。

該TEC溫控系統(tǒng)支持的TEC片額定電壓范圍寬，為6～24 V，峰值電流可達20 A，可支持多種型號的TEC片單獨使用，還可將TEC片串聯(lián)或并聯(lián)使用，以獲得更大的制冷或制熱功率。在試驗中，將2塊型號為12708(額定電壓12 V，額定電流8 A)的TEC片串聯(lián)使用，對多種不同溫度的升溫或降溫控制進行了調(diào)試。

將此溫控系統(tǒng)應用在一個出纖光功率最大為16 W的793 nm半導體激光器上，將激光器的溫度控制在25 ℃，激光器內(nèi)置NTC和TEC片。從激光器閾值電流0.5 A到最大電流2.5 A的范圍內(nèi)，選取不同的電流值來測試溫控系統(tǒng)的控溫能力。經(jīng)過多次重復測試，溫度波動能保持在±0.05 ℃以內(nèi)，從起控到溫度穩(wěn)定的時間一般在10分鐘以內(nèi)。圖6和圖7是當環(huán)境溫度為28 ℃，激光器工作電流為2 A，初始溫度為40 ℃，控溫到25 ℃的溫度變化過程。每30秒記錄一次溫度，約5分鐘后，溫度到達25 ℃附近，此后存在小幅波動，在±0.05 ℃范圍內(nèi)。

圖6 從初始溫度40 ℃控溫到25 ℃

圖7 溫度達到25 ℃后的變化情況

因為TEC溫控系統(tǒng)是由多個部分組成的整體，受到多方面的影響，比如被控對象的形態(tài)，溫度傳感器的固定位置和方式，TEC片的選型和組合，散熱條件等，都會影響控溫效果。從實驗過程發(fā)現(xiàn)，一組PID參數(shù)(Kp,Ki,Kd)可能無法滿足整個控溫范圍內(nèi)的要求，可在軟件中根據(jù)條件設置幾組PID參數(shù)，也可開放用戶微調(diào)PID參數(shù)的功能。

5 結束語

基于ATmega128的TEC溫控系統(tǒng)基本上滿足了較大功率TEC片的應用需求，在控溫精度方面的表現(xiàn)較好，在調(diào)試和測試的過程中，也表現(xiàn)出較好的可靠性和穩(wěn)定性。后續(xù)還將繼續(xù)改進設計，改用16bit的ADC器件，提高測溫精度。PID算法改用變速積分增量方式，有望降低計算復雜度，加快控溫響應速度，提高控溫精度?，F(xiàn)有的PWM頻率較低，可提高PWM頻率，就能夠減小LC濾波的電感量，從而縮小電感的體積，減輕重量。可提高PWM占空比調(diào)整的精細程序，從而提高控溫精度。電路板還可優(yōu)化縮小，使其更便于嵌入到小體積產(chǎn)品中。目前，TEC溫控系統(tǒng)在各種儀器設備和生活電器等領域有了越來越廣泛的應用，本設計的TEC溫控系統(tǒng)也可嘗試與各種其它產(chǎn)品進行融合。