超稳定线性温控模块设计*

余兆安, 姚志宏, 董大年

(中国科学院 微电子研究所,北京 100029)

0 引 言

大多数光电系统的性能与温度的稳定性息息相关,例如量子级联激光器的输出波长依赖于工作温度,温度的波动将直接导致线宽展宽；光电探测器的探测率也随温度变化而变化,温度的波动将直接引入噪声,从而降低了系统精度[1～3]。因此,研制超稳定的温度控制模块尤为重要。

为保持体积小巧并精确控温,在激光器和探测器封装管壳内,除了激光器或探测器芯片外,还包括半导体制冷片(thermo electric cooler,TEC)和负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻。其中,TEC是一种可以通过改变注入电流的方向而实现加热或制冷的器件,通常注入电流越大,热量转移越大,配合温度传感器和温度控制器,可实现精确控温。常规的温控系统大多采用脉宽调制(pulse width modulation,PWM)控温方式[4～8],通过模数转换器(analog to digital converter,ADC)来采集温度值,通过数模转换器(digital to analog converter,DAC)来设定温度值,并将设定值与采样值相减,进行数字比例—积分—微分(proportional-integral-differential,PID)计算,得到的PID值来改变PWM信号的占空比,从而实现温度的闭环控制,这种数字PID控温方式的显著优点是效率高,但缺点是电路中变化的PWM信号和电感容易产生干扰,从而降低了温度的稳定性。

因此,为提高温度控制的稳定性,本文以TEC为控温元件,以热敏电阻为温度传感器,采用100 μA恒流源电路来驱动热敏电阻,采用模拟PID电路来计算误差信号,采用大功率恒流源驱动电路来驱动TEC,并将隔离核心模拟电路与发热元件,研制一种超稳定的温控模块。

1 温控电路方案设计

温度控制模块包括温度设定电路、热敏电阻驱动电路、误差信号PID运算电路、限流电路和TEC驱动电路等模块,如图1所示。其中,温度的设定可通过手动调节电位器电阻来改变设定电压,从而设定目标温度,也可通过外部输入电压信号来设定目标温度。在热敏电阻驱动电路中,设计100 μA恒流源来驱动热敏电阻,从而得到实际温度电压信号。在功率输出级电路中,误差信号经PID电路处理后,来控制恒流源并驱动TEC,从而实现温度的精确控制。本结构图仅给出单向控温,双向控温在后级驱动上由两个相同的单向控温组成。

图1 温度控制设计方案

2 硬件模块设计

2.1 温度传感器驱动电路

设计100 μA恒流源电路,来驱动10 K热敏电阻,即1 V对应25 ℃。如图2所示,RNTC为热敏电阻,V-NTC为代表实际温度的电压信号,VREF为基准电压源,VDD为供电电源。实际工作中,VREF产生恒压,经运算放大器U1缓冲,再经过运放U2和电阻R1,R2放大得到电压V1。同时,电压V1与VREF电压经过运放U3和电阻R3～R6得到电压V2。通过合理配置电阻R1～R6,使得V1与V2电压差为1 V。由于运放U4工作在线性工作状态,故V3的电压与V2相等。因此,电阻R9上电压差等于为1 V,取R9=100 kΩ,由欧姆定律得到输出电流为100 μA。

图2 温度传感器驱动电路

2.2 PID运算电路

在温度的控制回路中,PID电路是将设定温度与实际温度的差值分别进行比例(P)、积分(I)和微分(D)运算,并将计算结果相加,得到控制信号来控制TEC加热或制冷的功率强度,差值越大,驱动强度越大。模拟PID运算电路如图3所示,VSetPoint为温度设定信号,热敏电阻RNTC上电压为实际温度信号,二者经运放加减电路得到误差信号VERR,VERR分别经过运放U12,R13和P2进行比例运算,经过运放U13,R25和C6进行积分运算,经过运放U14,C7和R28进行微分计算,最后经过运放U15加法电路得到最终的功率驱动控制信号。

图3 模拟PID运算电路

实际工作中,需要设定TEC的最大输出电流,以防止损坏TEC,或者取得更好的温度稳定度,需设计限流电路。为达到PID控制的稳定性,还需要抗积分饱和电路。当PIDCTL控制信号超过限流控制信号时,需要减弱持续增加的积分信号,故给积分电容C6并联了电阻R27,当进入限流状态时,单刀单掷开关K2将闭合,提高模块控温性能。

2.3 TEC驱动电路

模拟PID运算得到的信号VPIDCTL用于控制驱动后级TEC电流的大小,因此,输出驱动级是由VPIDCTL控制的恒流源[9]。如图4所示,T2,T3,T4,T5构成H桥,来实现加热和制冷,R46为采样电阻,采集TEC输出电流信号,采样信号经过运放U18将信号放大,再送入到运放U16的反向输入端,因此,VPIDCTL控制信号与TEC输出电流的关系可表示为

图4 功率输出恒流源电路

在H桥的控制中,T3和T4开启时,T2与T5便不开启,开启哪条支路由VPIDCTL信号来决定,即判断误差信号是加热还是制冷。因此,如果误差信号确定T3和T4支路开启,那么T3完全打开,T4由恒流源电流来调节,T2和T5经过U19模块将两个管子配置成不开启状态。U19是在U16—U18的基础上增加了控制加热制冷的控制电路,使得驱动电路在完成恒流源驱动的同时,将另一支路完全关闭。

3 温度稳定性关键因素分析

为保证足够高的温度稳定性,首先要合理调节PID参数,防止温度振荡,加速温度稳定,这方面有较多的文献和参考资料[4]。除此之外,还需要从电路和散热的角度来保证温度控制的稳定性。

在电路设计上,在选用运算放大器进行运算或滤波时,其偏移电压和偏移电流应足够小,噪声足够低,尽可能减小信号失真。运放的正向和负向电阻应尽量平衡。在电路板布局布线上,为了达到优良的性能,必须确保大电流与小电流的信号隔离。

在散热设计中,本文线性温度控制模块本身的效率较低,可以通过调节输入电压来提高效率,但H桥功率元件和采样电阻在大电流下会产生比较多的热量,这些热量如果通过电路板或其他路径传递到关键模拟元件,则不仅会导致元件寿命下降,也会导致元件的偏置电压和偏置电流漂移过大,从而影响温度的稳定性。因此,发热元件须与核心控制电路隔离,并导入到热沉,才能保证温度的稳定性。

4 实验与结果分析

通过旋转电位器P1来设定温度,采用六位半数字万用表来测量热敏电阻上电压,经过热敏电阻阻值与温度之间的关系,进而得到实际温度；采用Visual Studio 2010编写程序来连续采集数据,从而得到温度控制模块的温度稳定性参数。

图5是稳定性测试数据,采用Keysight U8031A供电,采用Agilent34411A六位半万用表记录热敏电阻上的电压,采样率10 kHz,采样间隔2 s,积分时间NPLC=1,环境温度28.2 ℃,连续测量3 600 s,从测试结果可以看出,波动在±0.01 ℃内,非常稳定。由于热敏电阻阻值与温度是非线性关系,故不同温度下的稳定度会存在一定差异。尽管如此,实际系统中,很少有系统的稳定性达到此指标[4～8,10],由此可见,线性控温方式与常规PWM控温方式相比,在控温的稳定性上具有优势性。

图5 稳定性测试

5 结 论

本文基于激光器和光电探测器对温度稳定性的要求,采用完全模拟电路的方法,设计了高稳定的PID温度控制模块。该模块连续1h稳定度测试达到±0.01 ℃,非常适用于激光器或光电检测器高稳定控温等应用场合。