大型客机火灾监测激光器温度控制模块电路设计

毕 诚，郝魁红，王世喜，胡天风

(中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300)

0 引言

民航飞行安全始终是最重要的，而火灾报警系统是保证飞机安全的重要组成部分。现代的民航飞机火灾探测器主要有光电烟雾探测器和离子烟雾探测器[1]。由于原理的缺陷，假火警率始终居高不下，在1995～2001年间，中国民航飞机发生货舱火警信号43次，全部都是假火警信号[2]，这对飞机安全经济运行造成极为不利的影响。随着激光器相关技术发展，使激光监测在各方面应用日益广泛。利用可调谐二极管激光器检测气体浓度配合烟雾探测器和温度传感器的复合方式进行火灾报警[2]，其正确率会极大提升，具有很好的应用前景。

可调谐二极管激光器具有体积小、功耗低、线宽窄等优点，在气体浓度检测中具有精度好、响应快等优势。由于可调谐二极管激光器依靠载流子注入产生固定波长，故对温度变化非常敏感。温度升高会带来波长的红移、器件寿命缩短、特性劣化等影响。因此激光器的温度控制至关重要，是激光器正常工作的关键环节[3]。为了控制二极管激光器的温度，在激光器上安置了一个TEC(thermo electric cooler，半导体制冷剂)，同时设计控制TEC的驱动电路。

本文设计了高度集成且高效的TEC驱动器。该驱动器由MAX1968和运放芯片MAX4477组成。采用闭环设计，通过热敏电阻反馈的信号进行自动调节，达到保持温度恒定的效果。由于激光器的温度波长系数为dλ/dT=0.09 nm/℃，温度稳定性达到±0.1 ℃，可满足目前激光器的实际需要。

1 TEC温控原理

TEC由大量的PN结(热电偶)组成，PN结由2种不同的材料组合而成。当PN结中有电流通过，一端吸收热量时，另外一端就会发散热量，这种吸收或释放热量的现象就是帕尔帖效应[4]。在TEC的上表面，电流从N流向P(如图1所示)，上表面吸热为制冷端，下表面放热成为热端；如电流反向流动，电流从P流向N(如图1所示)，上表面为制热端，下表面成为制冷端。可以根据需要灵活地对可调谐二极管激光器进行加热或冷却。

图1 TEC原理图

TEC的驱动可以分类为线型式和开关式2种[5]。线型驱动电路由桥式功率放大电路构成，用2组达林顿管实现控制驱动电流方向和大小的目的，这种电路具有电流纹波小、设计简单快捷的优点。但是驱动效率低，控制精度低，存在温控死区。开关式驱动电路则是采用TEC驱动芯片MAX1968，其内部包含2个开关同步稳压器，1个PWM控制器。对比线型驱动器，开关式驱动电路具有集成度高、效率高、死区小、精度高的特点。因此本文采用开关式驱动器来驱动TEC。

2 MAX1968及其外围电路设计

MAX1968是开关型驱动芯片，适用于驱动TEC，采用直流控制消除TEC中的电流浪涌，利用500 kHz/1 MHz的开关频率可以减小元件的噪声，在低输出电流下没有死区或其他非线性。基准电压引脚REF精确度达到1%，可利用ITEC引脚监控TEC电流的输出，输出电流达到±3 A，而且采用外露金属焊盘的耐热增强型TSSOP_EP封装，可最大限度地降低工作结温。

图2为MAX1968芯片及其外部电路，如图2中引脚4(REF)是MAX1968内置的片内基准电压源。输出为1.5 V，精度为1%。引脚13(ITEC)提供与流过TEC的电流成比例的电压输出。

VITEC=1.5 V+8×(VOS1-VCS)

(1)

式中：VOS1为OS1引脚的输出电压，一般接到TEC的正极端，V;VCS为CS端的输出电压，CS端专门用于检测电流流入TEC的情况，V。

图2 MAX1968芯片及其外部电路

TEC中的电流可以通过VOS1与VCS计算得到。

ITEC=(VOS1-VCS)/RSENSER

(2)

式中：RSENSER为TEC输出电流的检测电阻，Ω。

如图2中电阻R1一般取50 mΩ。而流过TEC电流的大小和方向与引脚3(CTLI)的大小有关

(3)

式中：VCTLI为MAX1968的CTLI引脚的输出电压；VREF为片内基准电压源，输出为1.5 V。

当VCTLI>1.5 V时，MAX1968为制冷，引脚电压如式(4)：

VOS2>VOS1>VCS

(4)

式中：VOS2为MAX1968的OS2引脚的输出电压；VOS1为MAX1968的OS1引脚的输出电压；VCS为MAX1968的CS引脚的输出电压。

当VCTLI=1.5 V时，ITEC输出为0。当VCTIL<1.5 V时，MAX1968为加热，引脚电压如式(5)：

VOS2

(5)

MAX1968的MAXIP引脚设置最大正电流即制热电流，MAXIN引脚设置最大负电流即制热电流。

(6)

式中VMAXI_为引脚MAXIN(MAXIP)经过电位器R2分压后得到的电压。

将MAXIN和MAXIP连接起来一起控制。MAX1968的MAXIN引脚可以设置TEC的最大电压Vmax：

Vmax=4×VMAXV

(7)

式中VMAXV为经过电位器R3分压后的电压。

在本设计中选择3.3 μH的电感，此电感适用于大部分的应用。如图2所示，C7和C2选用电容为4.7 μF。可以通过式(8)计算出谐振频率约为40 kHz，因谐振频率小于开关频率的1/5，所以选择1 MHz的开关频率符合要求。所以引脚FREQ接GND。

(8)

式中：C为C2和C7的电容值；L为3 μH。

3 温度控制回路电路设计

为了满足温度驱动器自动调节的需要，设计了由2个MAX4477组成的回路电路如图3所示。通过激光器内部集成的热敏电阻将采集的温度变化信号转化为电信号传输给芯片MAX1968，根据温度大小向激光器内部集成的TEC传输电流，从而保持激光器温度不变。

图3 回路控制电路

如图3，R8为阻值随温度变化的热敏电阻，实际应用中采用NTC热敏电阻，经过测试发现其具有随温度升高电阻减小的负比例特性。如图3中R4可以控制回路的输出基准，进而调整驱动系统输出电流的大小。R4的调节端连接U4A组成跟随器，具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，具有隔离作用使得跟随器的前后电路之间相互不影响。分析放大器U2A可知其输出为

(9)

式中：V2为放大器U2A的输出电压，V；V3为热敏电阻分压后输出的电压，放大器的正输入端，V；V1为跟随器的输出电压，放大器的负输入端，V。

由前文可知，MAX1968芯片的CTLI引脚的输入控制着输出到TEC电流的方向和大小，如图3，控制回路的输出与CTLI引脚相连，由热敏电阻采集到可调谐激光二极管的温度，经过该反馈回路反馈给MAX1968，从而实现温度的自动调节。自我调节的过程如下：假设激光器工作产生热量，使得激光器的温度高于设定温度，因为热敏电阻为负温度系数，所以此时热敏电阻的阻值变小进而V3变小，V1为设定温度保持不变，所以V2变小，经过U2B之后输出VCTLI>1.5 V，芯片MAX1968输出的驱动电流OS1流向OS2，TEC开始制冷。

4 电路设计及测试

4.1 芯片失效现象

按照上文描述的电路进行制板，如图4所示，对PCB电路板检测，检验电路是否符合预期结果。在检测过程中发现经过几次上电测试，芯片MAX1968的LX1、LX2都与GND相连。经过大量测试发现，芯片刚开始工作时并没有出现LX引脚接地的情况，但是经过一段时间的测试之后就会出现损坏的情况，而且在测试过程中伴随着大量的发热。

图4 温控电路PCB板

上电一瞬间芯片会比较CTLI引脚的电压与基准电压1.5 V大小，判断制冷或制热，并立即输出。输入输出同时发生，会在芯片内部产生大量的纹波电压或大电流。导致芯片发热失效[6]。在PCB焊接过程中，应注意在芯片下方的电路板上打一下散热孔同时可以在芯片底部加上少量的硅胶，因为芯片的底部有金属热沉有助于散热。当芯片工作在电流输出较大的状态时，还应该在芯片的上方外置散热片来增加散热的能力。同时需要注意的是，图2中R1电阻为取样电阻，在工作中，R1会流过很大的电流，因此选择该电阻时要选择温度漂移特性较好的，并且在电路板制作过程中，电路两侧的导线尽量宽。导线需要承受的功率较高，避免过热烧坏。

4.2 失效解决方案

根据上述现象完善电路，在芯片的使能引脚上引入一个ms级的延时，使得MAX1968完成加电后再进行输出。如图5所示，将MAX4477作为比较器组成1个调变延时电路，当电路接通后电压为0 V，经过一段时间后电压变为5 V。加上延时后的电路并没有出现大量的发热和LX引脚接地的现象，可以由此推测延时电路发挥了作用。

图5 ms级延时电路

4.3 实验数据

MAX1968输出端没有连接负载时，测量结果如表1所示。

表1 无负载状态电压输出 V

由表1可知，当VCTLI<1.5 V时VOS1>VOS2，当VCTLI>1.5 V时，VOS1

温控系统在性能上的要求是保持长期稳定，波动的范围要尽量小，可以自动调节温度。在室温环境(27 ℃)下分别将设定温度设为15 ℃、20 ℃、25 ℃。

在20 min内，每1 min取1个点，因为TEC的电流流向不能瞬间转换，否则会出现毁坏的现象，所以在本实验中TEC只作为制冷器来使用。拟合曲线图如图6所示。

图6 温度测量曲线

从图6中可以发现，0时刻TEC的温度都为室温27 ℃，此时当设定温度改变，温度会在几分钟内骤降，直到达到设定的温度并保持恒定，可以发现温度基本保持在±0.1 ℃的变化范围内，符合温度控制的实际需求。

5 结束语

本文介绍了TEC的驱动芯片MAX1968的引脚以及控制方法，并设计了闭环的控制回路，可以通过采集热敏电阻电信号后自动调节温度，设计原理图并制作了PCB。在测试过程中发现芯片失效的现象并给出失效的解决方案，解决后的电路能够进行温度控制，保证激光器的稳定性和使用寿命，设计电路经过测试，激光二极管温度控制稳定性较好，满足了民航客机火警监测用激光器的要求。