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(jù)上述思想設計的控制器電源電路,其核心是美國POWER INTERATIONS公司專門為設計開關電源而產持的四端記線式開關控制集成電路－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(wěn)壓器、欠壓電路、熱滯式過熱保護控制電路、限流電路、前沿消隱電路和一個Vds≥700V的功率MOSFET開關及驅動電路,使天關電源結構最簡、元件數(shù)目最少,因此是開關電源進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,產生與輸出電壓高低變一樣致的開／關控制信號,對TNT255P內部的功率器件進行開關控制保護,從而實現(xiàn)對輸出電壓的調節(jié)。當TNY255P內部的功率器件導通時,變壓器儲存能量（0.5LI2）;當功率器件開關斷時,儲存的能量經磁耦合傳遞到次級繞組,經二次整流濾波,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三端離線式脈寬調制開關集成電路也是美國POWER INTEFRATIONS公司生產的功率集成電路,是對TinySwitch的改進和發(fā)展,其內集成有高壓功率MOSFET器件及其驅動電路、PWM控制器的電源的各種保護電路,是功能齊全的開關電源器件。該器件不僅繼承了TinySwitch開關控制器小型化的優(yōu)點,而且改進的三端式結構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;負載能力也大大加強,由TOP2xx構成的開關電源的輸出率在0－150W的范圍內可調。

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[4]）;TOP227Y三端式PWM控制器替換TNY255P四端開關控制器,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倒L型LC濾波電路,并選擇適當?shù)碾娐穮?shù),從而使控制器電源的紋波系數(shù)達到0.8％,制冷器電源的紋波系數(shù)在小負載時達0.7％,大負載時為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,是通過輸出取樣放大電路、光偶電路,再經過率開關或PWM控制實現(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現(xiàn)恒溫要求對電源輸出功率的動態(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生電源開關信號,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。溫度傳感器產生實際溫度的電信號,也分別送往比較器和面板溫度顯示器。比較顯示器產生設定溫度和實際溫度的偏差信號,經μV放大器放大后送PID控制器進行運算,輸出具有PID調節(jié)規(guī)律的信號作為制冷供電電源控制回路的控制信號對其進行控制,從而實現(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,由偏差信號產生顯示電路開關信號,反映控制狀態(tài)。