畢 誠，郝魁紅，王世喜，胡天風(fēng)

(中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300)

0 引言

民航飛行安全始終是最重要的，而火災(zāi)報警系統(tǒng)是保證飛機安全的重要組成部分。現(xiàn)代的民航飛機火災(zāi)探測器主要有光電煙霧探測器和離子煙霧探測器[1]。由于原理的缺陷，假火警率始終居高不下，在1995～2001年間，中國民航飛機發(fā)生貨艙火警信號43次，全部都是假火警信號[2]，這對飛機安全經(jīng)濟運行造成極為不利的影響。隨著激光器相關(guān)技術(shù)發(fā)展，使激光監(jiān)測在各方面應(yīng)用日益廣泛。利用可調(diào)諧二極管激光器檢測氣體濃度配合煙霧探測器和溫度傳感器的復(fù)合方式進行火災(zāi)報警[2]，其正確率會極大提升，具有很好的應(yīng)用前景。

可調(diào)諧二極管激光器具有體積小、功耗低、線寬窄等優(yōu)點，在氣體濃度檢測中具有精度好、響應(yīng)快等優(yōu)勢。由于可調(diào)諧二極管激光器依靠載流子注入產(chǎn)生固定波長，故對溫度變化非常敏感。溫度升高會帶來波長的紅移、器件壽命縮短、特性劣化等影響。因此激光器的溫度控制至關(guān)重要，是激光器正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。為了控制二極管激光器的溫度，在激光器上安置了一個TEC(thermo electric cooler，半導(dǎo)體制冷劑)，同時設(shè)計控制TEC的驅(qū)動電路。

本文設(shè)計了高度集成且高效的TEC驅(qū)動器。該驅(qū)動器由MAX1968和運放芯片MAX4477組成。采用閉環(huán)設(shè)計，通過熱敏電阻反饋的信號進行自動調(diào)節(jié)，達到保持溫度恒定的效果。由于激光器的溫度波長系數(shù)為dλ/dT=0.09 nm/℃，溫度穩(wěn)定性達到±0.1 ℃，可滿足目前激光器的實際需要。

1 TEC溫控原理

TEC由大量的PN結(jié)(熱電偶)組成，PN結(jié)由2種不同的材料組合而成。當(dāng)PN結(jié)中有電流通過，一端吸收熱量時，另外一端就會發(fā)散熱量，這種吸收或釋放熱量的現(xiàn)象就是帕爾帖效應(yīng)[4]。在TEC的上表面，電流從N流向P(如圖1所示)，上表面吸熱為制冷端，下表面放熱成為熱端；如電流反向流動，電流從P流向N(如圖1所示)，上表面為制熱端，下表面成為制冷端?？梢愿鶕?jù)需要靈活地對可調(diào)諧二極管激光器進行加熱或冷卻。

圖1 TEC原理圖

TEC的驅(qū)動可以分類為線型式和開關(guān)式2種[5]。線型驅(qū)動電路由橋式功率放大電路構(gòu)成，用2組達林頓管實現(xiàn)控制驅(qū)動電流方向和大小的目的，這種電路具有電流紋波小、設(shè)計簡單快捷的優(yōu)點。但是驅(qū)動效率低，控制精度低，存在溫控死區(qū)。開關(guān)式驅(qū)動電路則是采用TEC驅(qū)動芯片MAX1968，其內(nèi)部包含2個開關(guān)同步穩(wěn)壓器，1個PWM控制器。對比線型驅(qū)動器，開關(guān)式驅(qū)動電路具有集成度高、效率高、死區(qū)小、精度高的特點。因此本文采用開關(guān)式驅(qū)動器來驅(qū)動TEC。

2 MAX1968及其外圍電路設(shè)計

MAX1968是開關(guān)型驅(qū)動芯片，適用于驅(qū)動TEC，采用直流控制消除TEC中的電流浪涌，利用500 kHz/1 MHz的開關(guān)頻率可以減小元件的噪聲，在低輸出電流下沒有死區(qū)或其他非線性?；鶞孰妷阂_REF精確度達到1%，可利用ITEC引腳監(jiān)控TEC電流的輸出，輸出電流達到±3 A，而且采用外露金屬焊盤的耐熱增強型TSSOP_EP封裝，可最大限度地降低工作結(jié)溫。

圖2為MAX1968芯片及其外部電路，如圖2中引腳4(REF)是MAX1968內(nèi)置的片內(nèi)基準電壓源。輸出為1.5 V，精度為1%。引腳13(ITEC)提供與流過TEC的電流成比例的電壓輸出。

VITEC=1.5 V+8×(VOS1-VCS)

(1)

式中：VOS1為OS1引腳的輸出電壓，一般接到TEC的正極端，V;VCS為CS端的輸出電壓，CS端專門用于檢測電流流入TEC的情況，V。

圖2 MAX1968芯片及其外部電路

TEC中的電流可以通過VOS1與VCS計算得到。

ITEC=(VOS1-VCS)/RSENSER

(2)

式中：RSENSER為TEC輸出電流的檢測電阻，Ω。

如圖2中電阻R1一般取50 mΩ。而流過TEC電流的大小和方向與引腳3(CTLI)的大小有關(guān)

(3)

式中：VCTLI為MAX1968的CTLI引腳的輸出電壓；VREF為片內(nèi)基準電壓源，輸出為1.5 V。

當(dāng)VCTLI>1.5 V時，MAX1968為制冷，引腳電壓如式(4)：

VOS2>VOS1>VCS

(4)

式中：VOS2為MAX1968的OS2引腳的輸出電壓；VOS1為MAX1968的OS1引腳的輸出電壓；VCS為MAX1968的CS引腳的輸出電壓。

當(dāng)VCTLI=1.5 V時，ITEC輸出為0。當(dāng)VCTIL<1.5 V時，MAX1968為加熱，引腳電壓如式(5)：

VOS2

(5)

MAX1968的MAXIP引腳設(shè)置最大正電流即制熱電流，MAXIN引腳設(shè)置最大負電流即制熱電流。

(6)

式中VMAXI_為引腳MAXIN(MAXIP)經(jīng)過電位器R2分壓后得到的電壓。

將MAXIN和MAXIP連接起來一起控制。MAX1968的MAXIN引腳可以設(shè)置TEC的最大電壓Vmax：

Vmax=4×VMAXV

(7)

式中VMAXV為經(jīng)過電位器R3分壓后的電壓。

在本設(shè)計中選擇3.3 μH的電感，此電感適用于大部分的應(yīng)用。如圖2所示，C7和C2選用電容為4.7 μF。可以通過式(8)計算出諧振頻率約為40 kHz，因諧振頻率小于開關(guān)頻率的1/5，所以選擇1 MHz的開關(guān)頻率符合要求。所以引腳FREQ接GND。

(8)

式中：C為C2和C7的電容值；L為3 μH。

3 溫度控制回路電路設(shè)計

為了滿足溫度驅(qū)動器自動調(diào)節(jié)的需要，設(shè)計了由2個MAX4477組成的回路電路如圖3所示。通過激光器內(nèi)部集成的熱敏電阻將采集的溫度變化信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸給芯片MAX1968，根據(jù)溫度大小向激光器內(nèi)部集成的TEC傳輸電流，從而保持激光器溫度不變。

圖3 回路控制電路

如圖3，R8為阻值隨溫度變化的熱敏電阻，實際應(yīng)用中采用NTC熱敏電阻，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)其具有隨溫度升高電阻減小的負比例特性。如圖3中R4可以控制回路的輸出基準，進而調(diào)整驅(qū)動系統(tǒng)輸出電流的大小。R4的調(diào)節(jié)端連接U4A組成跟隨器，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點，具有隔離作用使得跟隨器的前后電路之間相互不影響。分析放大器U2A可知其輸出為

(9)

式中：V2為放大器U2A的輸出電壓，V；V3為熱敏電阻分壓后輸出的電壓，放大器的正輸入端，V；V1為跟隨器的輸出電壓，放大器的負輸入端，V。

由前文可知，MAX1968芯片的CTLI引腳的輸入控制著輸出到TEC電流的方向和大小，如圖3，控制回路的輸出與CTLI引腳相連，由熱敏電阻采集到可調(diào)諧激光二極管的溫度，經(jīng)過該反饋回路反饋給MAX1968，從而實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)。自我調(diào)節(jié)的過程如下：假設(shè)激光器工作產(chǎn)生熱量，使得激光器的溫度高于設(shè)定溫度，因為熱敏電阻為負溫度系數(shù)，所以此時熱敏電阻的阻值變小進而V3變小，V1為設(shè)定溫度保持不變，所以V2變小，經(jīng)過U2B之后輸出VCTLI>1.5 V，芯片MAX1968輸出的驅(qū)動電流OS1流向OS2，TEC開始制冷。

4 電路設(shè)計及測試

4.1 芯片失效現(xiàn)象

按照上文描述的電路進行制板，如圖4所示，對PCB電路板檢測，檢驗電路是否符合預(yù)期結(jié)果。在檢測過程中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過幾次上電測試，芯片MAX1968的LX1、LX2都與GND相連。經(jīng)過大量測試發(fā)現(xiàn)，芯片剛開始工作時并沒有出現(xiàn)LX引腳接地的情況，但是經(jīng)過一段時間的測試之后就會出現(xiàn)損壞的情況，而且在測試過程中伴隨著大量的發(fā)熱。

圖4 溫控電路PCB板

上電一瞬間芯片會比較CTLI引腳的電壓與基準電壓1.5 V大小，判斷制冷或制熱，并立即輸出。輸入輸出同時發(fā)生，會在芯片內(nèi)部產(chǎn)生大量的紋波電壓或大電流。導(dǎo)致芯片發(fā)熱失效[6]。在PCB焊接過程中，應(yīng)注意在芯片下方的電路板上打一下散熱孔同時可以在芯片底部加上少量的硅膠，因為芯片的底部有金屬熱沉有助于散熱。當(dāng)芯片工作在電流輸出較大的狀態(tài)時，還應(yīng)該在芯片的上方外置散熱片來增加散熱的能力。同時需要注意的是，圖2中R1電阻為取樣電阻，在工作中，R1會流過很大的電流，因此選擇該電阻時要選擇溫度漂移特性較好的，并且在電路板制作過程中，電路兩側(cè)的導(dǎo)線盡量寬。導(dǎo)線需要承受的功率較高，避免過熱燒壞。

4.2 失效解決方案

根據(jù)上述現(xiàn)象完善電路，在芯片的使能引腳上引入一個ms級的延時，使得MAX1968完成加電后再進行輸出。如圖5所示，將MAX4477作為比較器組成1個調(diào)變延時電路，當(dāng)電路接通后電壓為0 V，經(jīng)過一段時間后電壓變?yōu)? V。加上延時后的電路并沒有出現(xiàn)大量的發(fā)熱和LX引腳接地的現(xiàn)象，可以由此推測延時電路發(fā)揮了作用。

圖5 ms級延時電路

4.3 實驗數(shù)據(jù)

MAX1968輸出端沒有連接負載時，測量結(jié)果如表1所示。

表1 無負載狀態(tài)電壓輸出 V

由表1可知，當(dāng)VCTLI<1.5 V時VOS1>VOS2，當(dāng)VCTLI>1.5 V時，VOS1

溫控系統(tǒng)在性能上的要求是保持長期穩(wěn)定，波動的范圍要盡量小，可以自動調(diào)節(jié)溫度。在室溫環(huán)境(27 ℃)下分別將設(shè)定溫度設(shè)為15 ℃、20 ℃、25 ℃。

在20 min內(nèi)，每1 min取1個點，因為TEC的電流流向不能瞬間轉(zhuǎn)換，否則會出現(xiàn)毀壞的現(xiàn)象，所以在本實驗中TEC只作為制冷器來使用。擬合曲線圖如圖6所示。

圖6 溫度測量曲線

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，0時刻TEC的溫度都為室溫27 ℃，此時當(dāng)設(shè)定溫度改變，溫度會在幾分鐘內(nèi)驟降，直到達到設(shè)定的溫度并保持恒定，可以發(fā)現(xiàn)溫度基本保持在±0.1 ℃的變化范圍內(nèi)，符合溫度控制的實際需求。

5 結(jié)束語

本文介紹了TEC的驅(qū)動芯片MAX1968的引腳以及控制方法，并設(shè)計了閉環(huán)的控制回路，可以通過采集熱敏電阻電信號后自動調(diào)節(jié)溫度，設(shè)計原理圖并制作了PCB。在測試過程中發(fā)現(xiàn)芯片失效的現(xiàn)象并給出失效的解決方案，解決后的電路能夠進行溫度控制，保證激光器的穩(wěn)定性和使用壽命，設(shè)計電路經(jīng)過測試，激光二極管溫度控制穩(wěn)定性較好，滿足了民航客機火警監(jiān)測用激光器的要求。