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現代成像器件具有集成度高、功耗小、成本低的優點,可以使攝像機的結構簡化、成本降低,典型的代表是CCD和GMOS成像器件。它們都是半導體器件,不足的是其成像品質受溫度、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相當成熟,市場上已有應的該項技術的系列化商品。但是,就熱電制冷攝像機的研究國仙尚無成功報道,這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內亟等解決的問題,為此必須解決配套電源的技術問題。 1 配套電源技術必須考慮的問題 電源是攝像梵工作的基本條件,包括成像器件的工作電源和熱電制冷器電源部分。兩部分具有各自的特點,前者要精度高、穩定性好;后者則較為特殊,從熱電制冷的需要看,應該具有以下的特點： （1）品質高,脈動系數小。因為熱電制冷器的制冷性能與供電直流電源的品質有關,已以的研究表明：當直流電源的電壓脈動系數小于15％時,其消耗的功率、制冷系數基本上沒有變化,而且脈動系數小有利于制冷器穩定工作。 （2）與制冷器相互匹配。由于希望成像器件工作在－40℃－60℃的溫度范圍內,而單級制冷器是無法實現的,所以攝像機內熱電制冷器是多級聯結的。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差異,困此,不同的熱電制冷器應單獨設置與之匹配的供電電源,不應簡單地串聯或并聯。 （3）功率容量可控。在制冷降溫過程中,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是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少,甚至為零。 （4）符合熱電制冷工作的特點。熱電制冷呂器是半導體器件,低電壓、大電流是熱電流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、攝像機內部溫度可視化的功能,這樣不僅便用掌握成像品質隨溫度變化的規律性,掌握不同的熱負荷的降溫規律,還有益于了解控制器的性能及其工作狀態,避免實驗的盲目性。 根據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：目前的串型穩壓電源和開關型穩壓電源都可以滿足熱電制冷器對電源品質的要求,但串聯型穩壓電源的體積大、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,把不必要的調節電壓固定下來,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 （3）圖1是根據上述思想設計的控制器電源電路,其核心是美國POWER INTERATIONS公司專門為設計開關電源而產持的四端記線式開關控制集成電路－TNY255P。TNY255P是Tinystch系列的一種,在器件的內部集成有晶振及波形發生器、檢測的一種,在器件的內部集成有晶振及波形發生器、檢測和邏輯電路、5.8V穩壓器、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開關及驅動電路,使天關電源結構最簡、元件數目最少,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,衩級回路前為一次整流濾電路,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,產生與輸出電壓高低變一樣致的開／關控制信號,對TNT255P內部的功率器件進行開關控制保護,從而實現對輸出電壓的調節。當TNY255P內部的功率器件導通時,變壓器儲存能量（0.5LI2）;當功率器件開關斷時,儲存的能量經磁耦合傳遞到次級繞組,經二次整流濾波,得到直流輸出。 2.2 制冷的供電系統 本文采用TOP2×系列構成熱電制冷器各級的供電電源,其應用電路文獻、中已有介紹。TopSwitch三端離線式脈寬調制開關集成電路也是美國POWER INTEFRATIONS公司生產的功率集成電路,是對TinySwitch的改進和發展,其內集成有高壓功率MOSFET器件及其驅動電路、PWM控制器的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點,而且改進的三端式結構使外部電路的連接更為簡單;PWN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率在0－150W的范圍內可調。 與圖1相比,不同是的：單一的15V／8A、3.2V／3A輸出使變壓器次級的找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結構成限幅鉗位電路、,替代電阻R2、電容C9和二極管1N4937組成的限幅鉗位電路（參見）;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PWN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。一般來說,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,同時又不致因電流的紋波系數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,并選擇適當的電路參數,從而使控制器電源的紋波系數達到0.8％,制冷器電源的紋波系數在小負載時達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整,是通過輸出取樣放大電路、光偶電路,再經過率開關或PWM控制實現的。在制冷降溫和恒溫控制的過程中,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恒溫要求對電源輸出功率的動態控制。結合恒溫控制可視化的要求以及控制精確度的要,熱電制冷恒溫控制電路設計的結構如圖2所示。 其中,溫度定值器提供設定的溫度的電信號,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范圍內,并在正常設定的情況下產生電源開關信號,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。比較顯示器產生設定溫度和實際溫度的偏差信號,經μV放大器放大后送PID控制器進行運算,輸出具有PID調節規律的信號作為制冷供電電源控制回路的控制信號對其進行控制,從而實現為成像器件提供低溫和恒溫的工作環境;控制狀態顯示過零比較器和顯示電路組成,由偏差信號產生顯示電路開關信號,反映控制狀態。 這里,溫度定值器由恒流源和精密電阻組成,是一個穩定的直流信號源,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,工作穩定,共模塊抑制能力強,PID控制器的參數連續可調,而且還增加了智能補償環節;溫度傳感器采用文獻介紹的電路,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、被控參數的超高和波動在所難免,為保證電源的輸出功率在調節的過程中,熱電制冷器兩端電壓的脈沖系數在許可的范圍內,盡量減速少溫度及電源電壓的超調是提高恒 控制器品持的關鍵。為此,給PID控制器增加了智能比例、積分補償環節（電路略）。當溫差較大時,控制器有較大的比例放大倍數、較小的積時間常數,比例、積分作用強,能較快地縮小溫左;反之,啟動補償電路,削弱控制器的比例和積分作用,從而有效在減速少被控參數的超調波動。通過仔細調整P、I、D參數和補償電路和參數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是增是加智能補償環節前后溫度變化的對比曲線。很明顯,采取智能補償之后、控制器的品質大為改善。這種控制方法不僅成本低、實現容易,而且直觀、形象地再現人們根據 況的變化,不斷調整控制策略的智能活動過程。 3 結論 （1）根據熱電制冷攝像機對配套電源的特殊要求,采用優化思想,分別從電源結構、電路結構和恒溫控制的設計入手,采取相應措施減速少體積、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）雖然該電濤是為熱電源制冷攝像機設計的,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的方法也具有普遍意義。 |
