热电制冷摄像机配套电源的研究

   目前,采用热电制冷的CCD摄像机技术在国外已经相当成熟,市场上已有应的该项技术的系列化商品。但是,就热电制冷摄像机的研究国仙尚无成功报道,这是此类进口商品价格居高不下的主要原因。因此,研制热电制冷摄像机是业内亟等解决的问题,为此必须解决配套电源的技术问题。

1 配套电源技术必须考虑的问题

电源是摄像梵工作的基本条件,包括成像器件的工作电源和热电制冷器电源部分。两部分具有各自的特点,前者要精度高、稳定性好;后者则较为特殊,从热电制冷的需要看,应该具有以下的特点：

（1）品质高,脉动系数小。因为热电制冷器的制冷性能与供电直流电源的品质有关,已以的研究表明：当直流电源的电压脉动系数小于15％时,其消耗的功率、制冷系数基本上没有变化,而且脉动系数小有利于制冷器稳定工作。

（2）与制冷器相互匹配。由于希望成像器件工作在－40℃－60℃的温度范围内,而单级制冷器是无法实现的,所以摄像机内热电制冷器是多级联结的。由于各级制冷器的供电电源在功率容量、电压大小方面都有较大差异,困此,不同的热电制冷器应单独设置与之匹配的供电电源,不应简单地串联或并联。

（3）功率容量可控。在制冷降温过程中,不仅要求能降低温度,更重要的是保持低温恒定,而且还希望降温速度快。对电源来说,则希望所能够在开机是提供热电制冷器能够承受的极限电压和电流,随着温度的下降以及与设定值的接近,电源的电压或电流逐渐减少,甚至为零。

（4）符合热电制冷工作的特点。热电制冷吕器是半导体器件,低电压、大电流是热电流冷器正常工作的突出特征,供电电源也要具有这一特性。

    除此 之外,电源作为摄像机的配套设备,还应该满足体积小、效率高、操作方便等要求,应该具有电源工作状态、摄像机内部温度可视化的功能,这样不仅便用掌握成像品质随温度变化的规律性,掌握不同的热负荷的降温规律,还有益于了解控制器的性能及其工作状态,避免实验的盲目性。

   根据热电制冷摄像机对电源的特殊要求,配套电源的设计应重点解决两方面的问题：

（1）电源方案的选择：目前的串型稳压电源和开关型稳压电源都可以满足热电制冷器对电源品质的要求,但串联型稳压电源的体积大、效率低、温升高,而高频开关电源则可以克服上述不足,使摄像机系统的体积和重量降低。因此,在热电制冷器的电源设计中,选择高频开关型电源结构。

（2）减小电源体积和重量;现从电源的结构设计和电路设计两个方面采取小型化措施。在结构上,把不必要的调节电压固定下来,对低功耗的电极直接采用电阻分压供电,将制冷器和控制器的小功率电源合并制板;在电路设计中,选用新型集成电路,进一步减小电路板的体积,从而使摄像机配套电源箱仅为200mm×130mm×120mm。

2 配套电源设计

2.1 控制器电源设计

（3）图1是根据上述思想设计的控制器电源电路,其核心是美国POWER INTERATIONS公司专门为设计开关电源而产持的四端记线式开关控制集成电路－TNY255P。TNY255P是Tinystch系列的一种,在器件的内部集成有晶振及波形发生器、检测的一种,在器件的内部集成有晶振及波形发生器、检测和逻辑电路、5.8V稳压器、欠压电路、热滞式过热保护控制电路、限流电路、前沿消隐电路和一个Vds≥700V的功率MOSFET开关及驱动电路,使天关电源结构最简、元件数目最少,因此是开关电源进一步小型化的重大突破。

   图中,以脉冲变压器为界,衩级回路前为一次整流滤电路,次级绕组后为二次整流滤波电路,电阻R2、电容C9和二极管1N4937组成限幅钳位电路,R3－R6和C10、C11组成缓冲保护电路,电阻R9－R12、C16、光偶4N35及基准TL431构成取样、比较放大电路,产生与输出电压高低变一样致的开／关控制信号,对TNT255P内部的功率器件进行开关控制保护,从而实现对输出电压的调节。当TNY255P内部的功率器件导通时,变压器储存能量（0.5LI2）;当功率器件开关断时,储存的能量经磁耦合传递到次级绕组,经二次整流滤波,得到直流输出。

2.2 制冷的供电系统

     本文采用TOP2×系列构成热电制冷器各级的供电电源,其应用电路文献[3]、[4]中已有介绍。TopSwitch三端离线式脉宽调制开关集成电路也是美国POWER INTEFRATIONS公司生产的功率集成电路,是对TinySwitch的改进和发展,其内集成有高压功率MOSFET器件及其驱动电路、PWM控制器的电源的各种保护电路,是功能齐全的开关电源器件。该器件不仅继承了TinySwitch开关控制器小型化的优点,而且改进的三端式结构使外部电路的连接更为简单;PWN控制使输出滤波的要求降低;负载能力也大大加强,由TOP2xx构成的开关电源的输出率在0－150W的范围内可调。

      与图1相比,不同是的：单一的15V／8A、3.2V／3A输出使变压器次级的找绕组及整流滤波电路减少一组;为减小电路损耗,在变压器初级线圈回路中采用瞬变电压抑制二极管和超快恢复二极管反向串联结构成限幅钳位电路、,替代电阻R2、电容C9和二极管1N4937组成的限幅钳位电路（参见[4]）;TOP227Y三端式PWM控制器替换TNY255P四端开关控制器,并增加一组偏置绕组,其中,大功率MOSFET器件为PWN控制。除此之外,其它电路及其作用相同,这里不再赘述。

     此外,在电源设计中还充分考虑了电源性能指标对电源体积和重量的影响。一般来说,纹波电压越小,滤波电路的体积和重量越大,而且LC滤波电路的重量增加更为明显。为满足热电制冷器大电流工作的需要,并简化电路加工的工艺,同时又不致因电流的纹波系数要求过高而使电源体积和重量增加过大,所有电源的二次滤波全部采用一级倒L型LC滤波电路,并选择适当的电路参数,从而使控制器电源的纹波系数达到0.8％,制冷器电源的纹波系数在小负载时达0.7％,大负载时为3％,满足了不同电源的特殊需要。

2.3 恒温控制

      热电制冷恒温控制是本文的关键。由电源设计及原理分析可知,对电源输出电压的调整,是通过输出取样放大电路、光偶电路,再经过率开关或PWM控制实现的。在制冷降温和恒温控制的过程中,要求制冷器电源的输出功率随着实际温度与设定温度差的大小成比例地变化,即温差信号替代电源取样信号才能实现恒温要求对电源输出功率的动态控制。结合恒温控制可视化的要求以及控制精确度的要,热电制冷恒温控制电路设计的结构如图2所示。

     其中,温度定值器提供设定的温度的电信号,该信号一路送往定值限幅器,由指示灯显示设定温度是否在许可范围内,并在正常设定的情况下产生电源开关信号,接通供电电源;另一路送往面板温度显示器,指示设定温度的高低;再一路送往比较器。温度传感器产生实际温度的电信号,也分别送往比较器和面板温度显示器。比较显示器产生设定温度和实际温度的偏差信号,经μV放大器放大后送PID控制器进行运算,输出具有PID调节规律的信号作为制冷供电电源控制回路的控制信号对其进行控制,从而实现为成像器件提供低温和恒温的工作环境;控制状态显示过零比较器和显示电路组成,由偏差信号产生显示电路开关信号,反映控制状态。

2 配套电源设计

2.1 控制器电源设计

（3）图1是根据上述思想设计的控制器电源电路,其核心是美国POWER INTERATIONS公司专门为设计开关电源而产持的四端记线式开关控制集成电路－TNY255P。TNY255P是Tinystch系列的一种,在器件的内部集成有晶振及波形发生器、检测的一种,在器件的内部集成有晶振及波形发生器、检测和逻辑电路、5.8V稳压器、欠压电路、热滞式过热保护控制电路、限流电路、前沿消隐电路和一个Vds≥700V的功率MOSFET开关及驱动电路,使天关电源结构最简、元件数目最少,因此是开关电源进一步小型化的重大突破。

   图中,以脉冲变压器为界,衩级回路前为一次整流滤电路,次级绕组后为二次整流滤波电路,电阻R2、电容C9和二极管1N4937组成限幅钳位电路,R3－R6和C10、C11组成缓冲保护电路,电阻R9－R12、C16、光偶4N35及基准TL431构成取样、比较放大电路,产生与输出电压高低变一样致的开／关控制信号,对TNT255P内部的功率器件进行开关控制保护,从而实现对输出电压的调节。当TNY255P内部的功率器件导通时,变压器储存能量（0.5LI2）;当功率器件开关断时,储存的能量经磁耦合传递到次级绕组,经二次整流滤波,得到直流输出。

2.2 制冷的供电系统

     本文采用TOP2×系列构成热电制冷器各级的供电电源,其应用电路文献[3]、[4]中已有介绍。TopSwitch三端离线式脉宽调制开关集成电路也是美国POWER INTEFRATIONS公司生产的功率集成电路,是对TinySwitch的改进和发展,其内集成有高压功率MOSFET器件及其驱动电路、PWM控制器的电源的各种保护电路,是功能齐全的开关电源器件。该器件不仅继承了TinySwitch开关控制器小型化的优点,而且改进的三端式结构使外部电路的连接更为简单;PWN控制使输出滤波的要求降低;负载能力也大大加强,由TOP2xx构成的开关电源的输出率在0－150W的范围内可调。

      与图1相比,不同是的：单一的15V／8A、3.2V／3A输出使变压器次级的找绕组及整流滤波电路减少一组;为减小电路损耗,在变压器初级线圈回路中采用瞬变电压抑制二极管和超快恢复二极管反向串联结构成限幅钳位电路、,替代电阻R2、电容C9和二极管1N4937组成的限幅钳位电路（参见[4]）;TOP227Y三端式PWM控制器替换TNY255P四端开关控制器,并增加一组偏置绕组,其中,大功率MOSFET器件为PWN控制。除此之外,其它电路及其作用相同,这里不再赘述。

     此外,在电源设计中还充分考虑了电源性能指标对电源体积和重量的影响。一般来说,纹波电压越小,滤波电路的体积和重量越大,而且LC滤波电路的重量增加更为明显。为满足热电制冷器大电流工作的需要,并简化电路加工的工艺,同时又不致因电流的纹波系数要求过高而使电源体积和重量增加过大,所有电源的二次滤波全部采用一级倒L型LC滤波电路,并选择适当的电路参数,从而使控制器电源的纹波系数达到0.8％,制冷器电源的纹波系数在小负载时达0.7％,大负载时为3％,满足了不同电源的特殊需要。

2.3 恒温控制

      热电制冷恒温控制是本文的关键。由电源设计及原理分析可知,对电源输出电压的调整,是通过输出取样放大电路、光偶电路,再经过率开关或PWM控制实现的。在制冷降温和恒温控制的过程中,要求制冷器电源的输出功率随着实际温度与设定温度差的大小成比例地变化,即温差信号替代电源取样信号才能实现恒温要求对电源输出功率的动态控制。结合恒温控制可视化的要求以及控制精确度的要,热电制冷恒温控制电路设计的结构如图2所示。

     其中,温度定值器提供设定的温度的电信号,该信号一路送往定值限幅器,由指示灯显示设定温度是否在许可范围内,并在正常设定的情况下产生电源开关信号,接通供电电源;另一路送往面板温度显示器,指示设定温度的高低;再一路送往比较器。温度传感器产生实际温度的电信号,也分别送往比较器和面板温度显示器。比较显示器产生设定温度和实际温度的偏差信号,经μV放大器放大后送PID控制器进行运算,输出具有PID调节规律的信号作为制冷供电电源控制回路的控制信号对其进行控制,从而实现为成像器件提供低温和恒温的工作环境;控制状态显示过零比较器和显示电路组成,由偏差信号产生显示电路开关信号,反映控制状态。

这里,温度定值器由恒流源和精密电阻组成,是一个稳定的直流信号源,能比较精确地给出支流毫伏信号;μＶ放大器采用高性能集成电路,工作稳定,共模块抑制能力强,PID控制器的参数连续可调,而且还增加了智能补偿环节;温度传感器采用文献[5]介绍的电路,利用集成温度传感器AD590对热电偶的自由端进行补偿,既可以提高测量温度的范围,又能利用热电偶降低测量的成本,同时也避免了直接用热电偶测量温度需要的补偿装置;温度显示器由三位半的液晶屏及驱动电路组成,通过开关转换,分时显示设定温度和实际温度。

    不难看出,恒温控制的目标是设定温度,控制的对象则是给热电制冷器供电电源的输出功率。由于控制对象和传感器响应的延时、被控参数的超高和波动在所难免,为保证电源的输出功率在调节的过程中,热电制冷器两端电压的脉冲系数在许可的范围内,尽量减速少温度及电源电压的超调是提高恒 控制器品持的关键。为此,给PID控制器增加了智能比例、积分补偿环节（电路略）。当温差较大时,控制器有较大的比例放大倍数、较小的积时间常数,比例、积分作用强,能较快地缩小温左;反之,启动补偿电路,削弱控制器的比例和积分作用,从而有效在减速少被控参数的超调波动。通过仔细调整P、I、D参数和补偿电路和参数以及启动补偿电路的参考电压,可保证控制温度的精度达0.1℃。图3是增是加智能补偿环节前后温度变化的对比曲线。很明显,采取智能补偿之后、控制器的品质大为改善。这种控制方法不仅成本低、实现容易,而且直观、形象地再现人们根据 况的变化,不断调整控制策略的智能活动过程。

3 结论

（1）根据热电制冷摄像机对配套电源的特殊要求,采用优化思想,分别从电源结构、电路结构和恒温控制的设计入手,采取相应措施减速少体积、提高电路性能,制作了一体化电源。实验结果表明;该电源结构合理,体积小,功能齐全,性能可靠。

（2）虽然该电涛是为热电源制冷摄像机设计的,但是也可以作为类似设备的供电电源。而且,电路设计中的小型化思想和恒温控制器中的智能化补偿的方法也具有普遍意义。