熱電制冷攝像機(jī)配套電源的研究

2 配套電源設(shè)計(jì)

2.1 控制器電源設(shè)計(jì)

（3）圖1是根據(jù)上述思想設(shè)計(jì)的控制器電源電路,其核心是美國POWER INTERATIONS公司專門為設(shè)計(jì)開關(guān)電源而產(chǎn)持的四端記線式開關(guān)控制集成電路－TNY255P。TNY255P是Tinystch系列的一種,在器件的內(nèi)部集成有晶振及波形發(fā)生器、檢測的一種,在器件的內(nèi)部集成有晶振及波形發(fā)生器、檢測和邏輯電路、5.8V穩(wěn)壓器、欠壓電路、熱滯式過熱保護(hù)控制電路、限流電路、前沿消隱電路和一個(gè)Vds≥700V的功率MOSFET開關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路,使天關(guān)電源結(jié)構(gòu)最簡、元件數(shù)目最少,因此是開關(guān)電源進(jìn)一步小型化的重大突破。

圖中,以脈沖變壓器為界,衩級(jí)回路前為一次整流濾電路,次級(jí)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(hù)電路,電阻R9－R12、C16、光偶4N35及基準(zhǔn)TL431構(gòu)成取樣、比較放大電路,產(chǎn)生與輸出電壓高低變一樣致的開／關(guān)控制信號(hào),對(duì)TNT255P內(nèi)部的功率器件進(jìn)行開關(guān)控制保護(hù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。當(dāng)TNY255P內(nèi)部的功率器件導(dǎo)通時(shí),變壓器儲(chǔ)存能量（0.5LI2）;當(dāng)功率器件開關(guān)斷時(shí),儲(chǔ)存的能量經(jīng)磁耦合傳遞到次級(jí)繞組,經(jīng)二次整流濾波,得到直流輸出。

2.2 制冷的供電系統(tǒng)

本文采用TOP2×系列構(gòu)成熱電制冷器各級(jí)的供電電源,其應(yīng)用電路文獻(xiàn)[3]、[4]中已有介紹。TopSwitch三端離線式脈寬調(diào)制開關(guān)集成電路也是美國POWER INTEFRATIONS公司生產(chǎn)的功率集成電路,是對(duì)TinySwitch的改進(jìn)和發(fā)展,其內(nèi)集成有高壓功率MOSFET器件及其驅(qū)動(dòng)電路、PWM控制器的電源的各種保護(hù)電路,是功能齊全的開關(guān)電源器件。該器件不僅繼承了TinySwitch開關(guān)控制器小型化的優(yōu)點(diǎn),而且改進(jìn)的三端式結(jié)構(gòu)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(fù)載能力也大大加強(qiáng),由TOP2xx構(gòu)成的開關(guān)電源的輸出率在0－150W的范圍內(nèi)可調(diào)。

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(jí)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(jí)線圈回路中采用瞬變電壓抑制二極管和超快恢復(fù)二極管反向串聯(lián)結(jié)構(gòu)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[4]）;TOP227Y三端式PWM控制器替換TNY255P四端開關(guān)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(shè)計(jì)中還充分考慮了電源性能指標(biāo)對(duì)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(shí)又不致因電流的紋波系數(shù)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(jí)倒L型LC濾波電路,并選擇適當(dāng)?shù)碾娐穮?shù),從而使控制器電源的紋波系數(shù)達(dá)到0.8％,制冷器電源的紋波系數(shù)在小負(fù)載時(shí)達(dá)0.7％,大負(fù)載時(shí)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(guān)鍵。由電源設(shè)計(jì)及原理分析可知,對(duì)電源輸出電壓的調(diào)整,是通過輸出取樣放大電路、光偶電路,再經(jīng)過率開關(guān)或PWM控制實(shí)現(xiàn)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(shí)際溫度與設(shè)定溫度差的大小成比例地變化,即溫差信號(hào)替代電源取樣信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)恒溫要求對(duì)電源輸出功率的動(dòng)態(tài)控制。結(jié)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(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中,溫度定值器提供設(shè)定的溫度的電信號(hào),該信號(hào)一路送往定值限幅器,由指示燈顯示設(shè)定溫度是否在許可范圍內(nèi),并在正常設(shè)定的情況下產(chǎn)生電源開關(guān)信號(hào),接通供電電源;另一路送往面板溫度顯示器,指示設(shè)定溫度的高低;再一路送往比較器。溫度傳感器產(chǎn)生實(shí)際溫度的電信號(hào),也分別送往比較器和面板溫度顯示器。比較顯示器產(chǎn)生設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的偏差信號(hào),經(jīng)μV放大器放大后送PID控制器進(jìn)行運(yùn)算,輸出具有PID調(diào)節(jié)規(guī)律的信號(hào)作為制冷供電電源控制回路的控制信號(hào)對(duì)其進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)為成像器件提供低溫和恒溫的工作環(huán)境;控制狀態(tài)顯示過零比較器和顯示電路組成,由偏差信號(hào)產(chǎn)生顯示電路開關(guān)信號(hào),反映控制狀態(tài)。