熱電制冷攝像機配套電源的研究

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(zhuān)門(mén)為設計開(kāi)關(guān)電源而產(chǎn)持的四端記線(xiàn)式開(kāi)關(guān)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(fā)生器、檢測的一種,在器件的內部集成有晶振及波形發(fā)生器、檢測和邏輯電路、5.8V穩壓器、欠壓電路、熱滯式過(guò)熱保護控制電路、限流電路、前沿消隱電路和一個(gè)Vds≥700V的功率MOSFET開(kāi)關(guān)及驅動(dòng)電路,使天關(guān)電源結構最簡(jiǎn)、元件數目最少,因此是開(kāi)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(chǎn)生與輸出電壓高低變一樣致的開(kāi)／關(guān)控制信號,對TNT255P內部的功率器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制保護,從而實(shí)現對輸出電壓的調節。當TNY255P內部的功率器件導通時(shí),變壓器儲存能量（0.5LI2）;當功率器件開(kāi)關(guān)斷時(shí),儲存的能量經(jīng)磁耦合傳遞到次級繞組,經(jīng)二次整流濾波,得到直流輸出。

2.2 制冷的供電系統

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[3]、[4]中已有介紹。TopSwitch三端離線(xiàn)式脈寬調制開(kāi)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TinySwitch的改進(jìn)和發(fā)展,其內集成有高壓功率MOSFET器件及其驅動(dòng)電路、PWM控制器的電源的各種保護電路,是功能齊全的開(kāi)關(guān)電源器件。該器件不僅繼承了TinySwitch開(kāi)關(guān)控制器小型化的優(yōu)點(diǎn),而且改進(jìn)的三端式結構使外部電路的連接更為簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)電源的輸出率在0－150W的范圍內可調。

與圖1相比,不同是的：?jiǎn)我坏?5V／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(xiàn)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(lián)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(jiàn)[4]）;TOP227Y三端式PWM控制器替換TNY255P四端開(kāi)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(lái)說(shuō),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(mǎn)足熱電制冷器大電流工作的需要,并簡(jiǎn)化電路加工的工藝,同時(shí)又不致因電流的紋波系數要求過(guò)高而使電源體積和重量增加過(guò)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(shí)達0.7％,大負載時(shí)為3％,滿(mǎn)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。由電源設計及原理分析可知,對電源輸出電壓的調整,是通過(guò)輸出取樣放大電路、光偶電路,再經(jīng)過(guò)率開(kāi)關(guān)或PWM控制實(shí)現的。在制冷降溫和恒溫控制的過(guò)程中,要求制冷器電源的輸出功率隨著(zhù)實(shí)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(shí)現恒溫要求對電源輸出功率的動(dòng)態(tài)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(chǎn)生電源開(kāi)關(guān)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(chǎn)生實(shí)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(chǎn)生設定溫度和實(shí)際溫度的偏差信號,經(jīng)μV放大器放大后送PID控制器進(jìn)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(jìn)行控制,從而實(shí)現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(guò)零比較器和顯示電路組成,由偏差信號產(chǎn)生顯示電路開(kāi)關(guān)信號,反映控制狀態(tài)。