基于半导体制冷的星载CCD测试用低温环境装置设计

丛 山，张大宇，常明超，温 强，袁鹏程，王 贺

（1.中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094； 2.哈尔滨工程大学 理学院，哈尔滨 150001）

0 引言

CCD器件对热极为敏感，工作温度每升高6℃，其信号噪声升高1倍，暗电流、光电转换效率等性能也会受到极大影响，为保证CCD器件的优良性能，一般使其工作在较低的温度范围内。航天器用星载CCD器件在使用前必须开展相关质量保证工作，其中低温环境下的光电性能测试至关重要。目前，一般使用制冷剂汽化制冷实现星载CCD器件低温性能测试的低温环境模拟，其优点是制冷效率高、温度低，但存在噪声大、振动大，实验装置体积庞大且无法外置光源，以及局部控温精度低等缺点。近年来，半导体制冷器由于其具有无噪声、无振动、无须制冷器、体较小、重量轻等优势[1]，被广泛应用于冷量需求和占地空间均较小的场合。

本文提出一种利用半导体制冷器进行水冷，采用新型水冷双循环结构散热，结合抗积分饱和PID控制算法与温度传感器对温度信息的反馈，以及脉冲宽度调制（PWM）技术控制半导体制冷器的制冷能力，实现对测试环境低温控制的装置。该装置较制冷剂制冷设备运行噪声更低、控温精度更高、制冷速度更快，更适合光学成像器件的低温性能测试；此外，该装置的低温箱小巧轻便，可装配于CCD测试暗箱内，在低温箱壁上设计通光孔即可打通明场测试光路，实现宇航用星载CCD质量保证所要求的低温下明、暗场的全参数测试。

1 星载CCD测试用低温环境控制技术简述

目前的星载CCD工作环境温度范围一般为-30～0℃，常用的低温箱即可满足其低温测试的温度需求。此类制冷设备一般使用制冷剂（如氟里昂或液氮）制冷，其工作原理类似于电冰箱，即利用制冷剂汽化吸热制冷，汽化产生的蒸气经压缩机压缩后向外界转移。系统一般由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等组成。其中压缩机是制冷循环的动力，能够及时抽出蒸发器内的蒸气，维持低温低压，同时通过压缩作用提高制冷剂蒸气的压力和温度，创造将制冷剂蒸气的热量向外界环境介质转移的条件。此类制冷系统对于CCD等精密光学成像器件的测试而言，存在诸多缺点：首先，压缩机运行产生的噪声与振动必然会引入测试误差，影响测试精度与不确定度；其次，压缩机与抽气泵导致系统体积庞大，最小的低温箱体积也有约1 m3，不便装配于CCD测试暗箱中，无法实现低温环境下的暗场参数测试；另外，对箱体进行整体温控的方式，只能确保箱体内的平均控温精度，无法精确到某点，即无法针对被测器件的局部环境或某个位置进行控温，控温精度较低。

2 双循环水冷半导体制冷方案

本文设计的CCD低温测试装置主要由上位机、CCD数据采集电路和环境控制系统3部分组成（如图1所示）。其中，上位机在整套装置中起主导作用，负责向CCD数据采集电路发送命令控制其工作，同时接收采集上传的CCD像素信号并进行数据处理和计算；CCD数据采集电路根据上位机下发的命令产生驱动时序来驱动CCD正常工作，并读取CCD数据传送至上位机；环境控制系统主要负责环境温度的控制，为CCD数据采集电路提供稳定的测试环境。

图1 CCD低温测试装置总体框图Fig.1 Block diagram of the low-temperature CCD test system

环境控制系统采用水冷双循环结构的半导体制冷方案，使用半导体制冷片，采用外循环带动内循环进行散热的新型双级水冷串联结构来实现被测器件的局部低温。这种水冷双循环半导体制冷结构能够保证冷头具有较大的冷却功率与较高的温控精度，同时具有很强的灵活性以适应各种被测光学成像器件不同的低温测试要求。

2.1 半导体制冷技术

热电制冷器（TEC）又称半导体制冷片（图2），是利用碲化铋化合物固溶体制作的半导体器件，其基本结构由P型半导体、金属连接片和N型半导体组成，三者通过一定顺序连接构成一组热电偶[2]，一系列热电偶之间经过串联并用陶瓷材料进行封装成片，即可制作成热电制冷器。

图2 半导体制冷片结构示意Fig.2 Schematic diagram of TEC

如图2所示，热电偶金属片1、3两端接通电源后，回路中电子通过电源负极、金属片1、N型半导体、金属片2、P型半导体、金属片3、电源正极的路径转移。在电子转移的过程中，由于半导体和金属的费米能级不同，当电子由金属片1进入N型半导体时需要吸收热量；当电子由N型半导体进入金属片2时需要释放热量；当电子由金属片2进入P型半导体时需要释放热量；当电子由P型半导体进入金属片3时需要吸收热量。经过以上过程，电子会在热电制冷器的一侧吸收热量，另一侧释放热量，形成热电制冷器的冷端和热端[3-4]。

2.2 双循环水冷结构

目前主要有3种半导体制冷片的散热方案，分别为空气散热、热管散热和水冷散热。其中，空气散热冷却方式散热性能较差；热管散热冷却方式的散热性能较为优异，但管状结构不易与发热体紧密贴合，多利用在特殊的散热场合，局限性较大；水冷散热冷却方式的散热性能良好，具有灵活的延伸性和扩展性。双循环水冷结构在水冷散热方案的基础上，设计了一种两级半导体制冷水冷系统（如图3所示），能有效提高终端的制冷能力。

图3 低温箱双循环水冷散热系统示意Fig.3 Schematic diagram of the low-temperature water cooling system

两级水冷循环系统包含外循环和内循环2部分。水冷外循环由冷头（2个）、过滤器、水箱、水泵、冷排、散热扇及管道组成；水冷内循环由冷头（3个）、杂质过滤器、水箱、水泵和管道组成。水冷外循环2个冷头和水冷内循环2个冷头分别与2片热电制冷片的热端和冷端紧贴，热电制冷器的热端贴合于水冷外循环的冷头之上，冷端贴合于水冷内循环的冷头之上。水冷内循环的另一个冷头上贴有1片热电制冷器，热电制冷器的热端贴合于水冷的冷头之上，冷端贴合于图像传感器测试平台上的导冷块之上，热电制冷器和冷头及导冷块之间均匀填涂导热硅脂。

热电制冷水冷散热过程为：热电制冷器1的冷端不断吸收外界热量使周围的温度降低，热端不断向外界释放热量使冷头1温度升高，冷头1将热量传递给内循环水，内循环水的温度升高，循环水在水泵的驱使下流经冷头2和3，热电制冷器2和3将水冷内循环中循环水的热量带入到水冷外循环中，水冷内循环中的循环水温度降低，通过依次循环使水冷内循环中的循环水温度保持相对稳定，热电制冷器1冷端的温度持续降低；内循环中的热量被热电制冷器2和3带入到水冷外循环后经冷头4和5将热量传递给循环水，循环水在水泵的驱使下流经冷排，在冷排和散热扇的作用下，循环水的温度下降，然后再次流经冷头4和5将热量带出。经测试，通过两级水冷循环，导冷块温度可以降低到-30℃以下，并有较大的冷量输出能力。

3 温度控制系统设计

温度控制系统共设置6个温度传感器，其中1个安装于被测器件的导冷块上，可随时监测器件管壳周围的环境温度；其余5个分布于水冷内循环系统的各个部位，既可实现针对器件周围局部环境的精确控温，又可实现从器件至整个低温箱体的逐级环境温度控制。控制系统的硬件电路分为温度数据采集电路和温度控制硬件电路2个模块，均以ARM为控制核心，通过CAN总线相连实现互通。

3.1 温度数据采集电路

图4 温度数据采集电路原理Fig.4 Principle of the temperature data acquisition circuit

3.2 温度控制电路

热电制冷器正常工作时允许输入的电压为0～24 V、电流为0～8 A，因此需采用改造后的开关电源为热电制冷器提供电源驱动，即通过中央微处理器使用PWM方式调节开关电源输出电压的大小实现对热电制冷器制冷能力的控制。开关电源PWM信号电压调节接口电路原理如图5所示。其中，U1为 TLP521，起电气隔离作用；R3、C1、R4、C2构成二阶RC滤波网络，将微处理器的WPM信号转化成与其占空比对应的直流信号（幅值范围0～5 V）并输出，WPM信号周期为1 KHz，占空比为1%～99%；P1为接线端子，第1、3引脚为开关电源4.9 V基准电压的输入端，第2引脚为开关电源的控制信号输出端，此直流电压信号能够控制开关电源的输出电压。

图5 热电制冷控制电路原理Fig.5 Principle of the thermoelectric refrigeration control circuit

本实验装置采用MCP2551芯片作为CAN总线收发器（如图6所示）。

图6 CAN总线电路原理Fig.6 Circuit principle of the CAN bus

MCP2551为SOP-8封装，外围电路结构简单，接收端与CAN控制器相连，发送端CANH和CANL之间需要接入端接电阻，以使输出阻抗得到最佳匹配，提高信号的信噪比，减小误码率。

温度数据采集电路和温度控制电路间的CAN物理总线为双绞线，如图7所示。

图7 CAN物理总线电路连接示意Fig.7 Circuit connection diagram of the CAN bus

4 PID调节算法

4.1 传统 PID 算法

PID控制即比例-积分-微分控制，是自动控制原理中成熟且可靠的经典控制算法，被广泛应用于工业控制[5-6]，算法系统如图8所示。

图8 PID控制算法系统框图Fig.8 Block diagram of the PID control algorithm system

传统的PID控制算法在运行中会出现积分饱和现象，这是因为系统自身存在一定的缺陷，会产生逆转困难的偏差。随着时间的增加，PID控制算法中PID调节器的积分部分逐渐累加增大，从而被控对象的输入量超过其正常输入范围，使被控对象的输出量达到最大值，继而出现饱和现象；但偏差依旧存在，PID调节器的积分部分仍然在增大，当PID控制算法出现反向偏差时，由于积分部分较大，被控对象无法在短时间内退出饱和区，就会出现较大的时延，而退出饱和区后由于积分部分衰减严重，被控对象的输出量迅速减小，使被控对象输出量出现波动，从而限制了PID控制算法的控制灵敏度，控制性能变差。本实验装置若采用传统的线性PID控制，则稳态误差不小于±3℃，且调节时间需30 min以上，不能满足CCD低温环境测试的要求。

4.2 改进型 PID 控制算法

经过多年的发展，多种改进型PID控制算法及与智能算法相结合的新型PID控制算法被提出，主要的改进型PID控制算法有抗积分饱和PID控制算法、模糊PID控制算法、自适应PID控制算法和神经网络PID控制算法等[7-8]。其中，抗积分饱和PID控制算法即为了解决PID控制算法在运行中出现积分饱和现象而提出的。

由于本实验装置为主动制冷，一旦PID控制算法出现超调，即低温箱内导冷块的温度低于设定温度，只能通过低温箱内部相对较高的环境温度使导冷块温度回升，而这一过程不受控，且耗时较长，可能导致积分饱和。为此，控制器采用遇限消弱积分项的非线性PID控制算法抑制积分饱和，具体流程如图9所示。先通过评估误差信号E(t)决定是否对PID调节器积分项进行限定，如果误差信号进入某误差带，则相应减小积分常数；如果出现超调，则进一步限制控制量，此时引入衰减系数可使积分项快速衰减，达到目标量快速退出饱和区的目的；如果没有超调，则正常计算PID控制输出量U(t)。

图9 遇限消弱积分项的抗积分饱和PID控制算法流程Fig.9 Flow chart of anti-integral saturation PID control algorithm for the integral term of weakening at limit

4.3 热电制冷控制策略

实验装置中包含3片热电制冷器，为充分发挥其制冷性能，快速到达设定制冷温度，降低实验装置的最低制冷温度，本文将设定的制冷温度划分为-30～-15℃、-15～0℃、0～5℃3 个区间，3 片热电制冷器在每个区间内的工作状态不同，具体控制策略参见图10。如图所示，3个热电制冷器分别负责控制不同温度区间的温度。控制流程为：判断目标温度是否设置在相应温度区间，之后基于改进型PID控制算法控制相应热电制冷器进行制冷，过程中通过温度传感器对导冷块以及水冷内循环温度进行监测，达到目标温度时停止制冷，否则控制相应制冷器继续制冷。

图10 热电制冷控制策略Fig.10 Thermoelectric refrigeration control strategy

5 低温实验装置及制冷实验

5.1 低温实验装置

为了提高制冷效率和方便操作，本实验装置将散热装置、控制系统、供电电源和制冷装置分离设置，其中散热装置、控制系统和电源安装在控制机柜内，制冷装置装配于低温箱内，参见图11。控制机柜和低温箱是两个分立的装置，中间通过通信电缆、电源电缆、水冷水管相连接。通信电缆利用CAN总线将低温箱内硬件电路采集到的温湿度数据传送到操作柜内硬件电路，并将操作柜内硬件电路发送的各种指令传输到低温箱内硬件电路；电源电缆将操作柜内各种电压等级的电源输送到低温箱内，为低温箱内各种用电设备提供工作电能；水冷水管联通外循环水冷系统，将内循环水冷系统的热量散发出来。由图11(c)所示的低温箱实物可见，低温箱壁上设计有直径约20 cm的通光孔，用于连通积分球到被测器件表面的光路，可实现低温下CCD的明场参数测试。

图11 低温实验装置Fig.11 The low temperature test equipment

5.2 低温制冷实验

本实验装置制冷温度在0～5℃范围内的控制策略为：热电制冷器1不工作，只使用热电制冷器2、3进行制冷，热电制冷器2、3制冷将水冷内循环的水温降低，从而将导冷头的温度降低到设定的温度值。制冷温度在0～-15℃范围内的控制策略为：3片热电制冷器同时工作，将导冷头的温度降低到设定的温度值。制冷温度在-15～-30℃范围内的控制策略为：外部2片热电制冷器先开始工作，将水冷内循环的水温降低到一定的温度，然后导冷头处的热电制冷器再开始工作，将导冷头的温度降低到设定的温度值。

不同目标温度下导冷块温度随时间变化曲线如图12所示。

为了测试制冷温度的稳定度，分别在导冷块温度达到0℃、-15℃、-30℃后，在10 min的时间内每隔10 s记录1次温度数据，然后绘制导冷块温度波动曲线如图13～图15所示。可以看出，导冷块温度的最大波动为±0.49℃。这一结果较线性PID控制器下的稳态误差±3℃而言明显降低，且温度控制的动态响应时间由30 min以上压缩至20 min以内，明显缩短了实验时间。

图12 不同目标温度下导冷块温度随时间变化曲线Fig.12 The temperature of the copper block against the time at different target temperatures

图13 0℃时导冷块温度波动曲线Fig.13 Temperature fluctuation of copper block at 0℃

图14 -15℃时导冷块温度波动曲线Fig.14 Temperature fluctuation of copper block at -15℃

图15 -30℃时导冷块温度波动曲线Fig.15 Temperature fluctuation of copper block at -30℃

6 结束语

文章设计了一种低温环境实验装置，基于双循环水冷半导体制冷方式与抗积分饱和PID控制算法进行温度调节，并利用温度传感器进行温度信息反馈，以及脉冲宽度调制（PWM）技术控制半导体制冷器的制冷能力，实现了从器件局部至整个实验环境的逐级低温精确控制功能。该装置具备体积小、重量轻、无振动、无噪声等优点，能够成功实现最低-30℃的制冷，连续监测10 min温度波动为±0.49℃。同时，低温箱可放置于CCD测试暗箱内，在低温箱壁上设置通光孔即可实现低温下的CCD明场测试。

实验结果表明该装置能够为CCD提供一个稳定的低温测试环境，满足宇航用星载CCD低温下全参数测试的高可靠需求，并得到航天成像设备研制方的认可，亦可扩展应用于各类成像器件的低温测试中。