基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路设计.doc

基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路设计
红外技术作为一种发现、探测和识别目标的重要手段在军民两用技术中有着广泛的应用,非制冷红外焦平面阵列技术的发展极大地提高了系统的性能。非制冷红外热像仪采用的是不需要制冷的热探测器焦平面阵列,利用红外辐射使焦平面上敏感像元的温度改变,从而使电阻随之改变,来探测目标的温度特性。所以,只有尽可能地保证焦平面阵列中各敏感像元自身基准温度稳定且一致,才能够提高热像仪的探测灵敏度,减小系统后期非均匀性校正的难度,最终从根本上提高热像仪的探测灵敏度,改善热像仪的成像性能。目前,在实际的非制冷红外焦平面阵列探测器中采用半导体热电制冷器(TEC)来稳定基准温度。在此着重介绍一种基于ADN8830的高性能TEC温度控制电路及其PID补偿网络的调节方法。
1  温度控制电路设计
TEC(Thermo Electric Cooler)是用两种不同半导体材料(P型和N型)组成PN结,当PN结中有直流电通过时,由于两种材料中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中的吸热或放热效应(帕尔帖效应),就会使PN结表现出制冷或制热效果,改变电流方向即可实现TEC的制冷或制热,调节电流大小即可控制制热制冷量输出。
利用TEC稳定目标温度的方法如图1所示。
图1中第一部分是温度传感器。这个传感器是用来测量安放在TEC端的目标物体的温度。期望的目标物体温度是用一个设定点电压来表示,与温度传感器产生的代表实际目标物体温度的电压通过高精度运算放大器进行比较,然后产生误差电压。这个电压通过高增益的放大器放大,同时也对因为目标物体的冷热端引起的相位延迟进行补偿,然后再驱动H桥输出,H桥同时控制TEC电流的方向和大小。当目标物体的温度低于设定点温度时,H桥朝TEC致热的方向按一定的幅值驱动电流;当目标物体的温度高于设定点温度时,H桥会减少TEC的电流甚至反转TEC的电流方向来降低目标物体温度。当控制环路达到平衡时,TEC的电流方向和幅值就调整好了,目标物体温度也等于设定的温度。
在该设计中,对于TEC的控制选用ADI公司的TEC控制器ADN8830。ADN8830是目前最优秀的单芯片高集成度、高输出效率、高性能的TEC功率驱动模块之一,用于设定和稳定TEC的温度,在典型应用中,最大温漂电压低于250 mV,能够使目标温度误差低于±℃。每个加载在ADN8830输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC对红外焦平面供热或制冷。红外焦平面的温度由负温度系数热敏电阻来测量并反馈给ADN8830,用于调整系统回路和驱动TEC工作。
这里所设计的用ADN8830实现非制冷红外焦平面温度控制电路如图2所示。
图2中的电阻RTH即是非制冷红外焦平面组件中自带的热敏电阻。电阻R4阻值的选择与热敏电阻RTH的温度特性和环境温度有关。热敏电阻RTH的阻值并不是随着温度的升高而线性下降的,电阻R4的阻值应该按式(1)计算:
式中:RT1和RT3分别表示热敏电阻在工作温度的两个上、下极限时的阻值,RT2为热敏电阻在平均温度下的阻值。在实际应用中,可取工作温度的两个极限分别为5℃、45℃,则平均温度为25℃。通过查阅热敏电阻温度曲线可以得到RT1= kΩ,R
T2= kΩ,RT3= k