一种大功率TEC温控系统的设计

敬奕艳

(深圳技术大学 新材料与新能源学院，广东 深圳 518118)

0 引言

半导体热电致冷器(thermo electric cooler，TEC)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。珀尔帖效应是指当电流流过由两种不同半导体材料组成的电偶对时，电偶对的一端放热、另一端吸热，如果改变电流流入的方向，放热和吸热的端也会随之交换，这一点很适合既需升温又需降温的温控应用[1]。TEC温控设备体积小、无噪音、无污染，广泛应用于光电、机电、医疗、汽车和通讯等领域[2]。比如TEC温控系统已大量应用于中、小功率的半导体激光器，使激光器温度恒定，从而输出的激光波长稳定[3-4]。

目前，低电压、小功率的TEC温控系统已经有了成熟的芯片方案，比如ADN8830,MAX1978,LTC1923等[5-7]，它们使用方便，温控精度高，但只能用于额定电压不超过5 V，电流不超过4 A的小功率TEC片。对于电压更高，功率更大的应用，目前没有现成的芯片方案，需要自行设计控制系统。

1 系统总体设计

TEC温控系统的基本功能包括：设定被控温对象的目标温度，采集并显示当前实际温度，根据PID(比例、积分、微分)控制算法的计算结果，控制TEC片制冷或制热的能力强弱，使系统温度达到并维持在目标温度。为实现这些功能，TEC温控系统一般是以单片机或FPGA为核心的小型控制系统。本设计采用的AVR单片机ATmega128被广泛应用于工业控制和仪器仪表等领域，是一款性能优良、片上资源丰富、稳定性高的芯片。

图1 系统组成框图

考虑将此温控系统设计成既可以独立工作，又能方便地加入到别的系统中作为一个板卡部件的产品，该系统的设定温度，可通过按键输入，或通过串口从上位机或其它系统接收指令。设置有液晶模块插座，液晶屏可显示当前实时温度信息，或不使用液晶屏，通过串口输出信息。

选择温度传感器，很重要的因素是精度要高，是温度采集准确的必要条件。常用的温度传感器有NTC(负温度系数热敏电阻)，PTC(正温度系数热敏电阻)，数字温度传感器DS18B20等，其中，NTC和PTC的测温精度较高。如果对温度精度的要求不高，可选用DS18B20，温度的采集最容易实现，可以省去温度到电压的转换，模数转换，查表等硬件、软件操作，系统的复杂度大大降低。目前TEC温控系统常应用于半导体激光器类的产品，很多激光模组内部集成了NTC，同时还考虑实现较高的测温精度，因此本设计采用精度为0.5%，B值为3435的NTC采集温度。需要设计温度采集电路，将由温度变化引起的阻值变化，转化为电压的变化，再经过模数转换电路，转化为数字量才能送入单片机进行下一步处理。

TEC片有正负两极，工作时需在两极间接入直流电压。用TEC片制冷或制热，关键在于控制TEC片中电流的方向和大小。一些小功率的TEC温控采用线性方式控制，优点是符合TEC片对电压纹波小的要求，缺点是控制用的三极管效率低，发热多，温度很高。为满足本系统的大功率要求，即高电压或大电流，提升效率，减少电路元器件发热量，必须采用场效应管的H桥电路来控制电流流向，用PWM(脉冲宽度调制)信号的占空比来控制电流大小，这是一种开关控制方式，可能出现输出电压纹波较大的问题，需增加滤波电路来尽可能削弱纹波。本系统的主要设计指标是：TEC工作电压范围6～24 V，峰值电流≤20 A，控温范围：0～70 ℃，控温精度±0.05 ℃。

2 电路设计

2.1 NTC温度采集电路

设某时刻NTC的阻值为RNTC，则采样电压VADC1的计算式为：

(1)

将NTC电阻接于插座XS1。当温度为25 ℃时，阻值为10 kΩ。因为后接的ADC(模数转化)器件的输入电压范围在0 V以上，而本设计的控温范围在0 ℃到70 ℃之间，所以当温度为25 ℃，即NTC阻值为10 kΩ时，希望输出电压在相对中间的位置，于是给运算放大器U1A的同相输入端设置了半电压2.5 V。为了配合不同的ADC取样电压范围，比如0～5 V，0～2.5 V，0～4.096 V等，可适度调整R5和R6的阻值，使得整个设计控温范围对应的电压量都能处于ADC取样电压范围内。通过U1A放大得到电压量后，再经过一级电压跟随器，增大带负载能力，接入到后级ADC。为了提高取样精度，各电阻应采用1%或更高的精度。这里用到两个运放，可选用轨到轨的双运放封装的型号,本设计采用OPA2348A。

图2 NTC温度采集电路

2.2 ADC电路

选用了SPI接口的12bit串行ADC器件AD7888，将模拟电压值转化为数字量，以便送入单片机进行温度显示和温度控制处理。AD7888的SPI接口有四条信号线，分别与AVR单片机SPI接口的四个引脚相连。在图3中，是片选信号，当需要AD7888工作时，ADCLK是时钟线，在当前应用中，AD7888是从属器件，时钟由控制器件单片机输出。DIN是AD7888控制字输入，控制字决定其工作模式，模数转换参考电压的来源等。DOUT是模数转化的结果输出。VREF是参考电压，当前设计是采用AD7888外部的电压基准，是由一颗LM4040AIM3-4.096 V产生的，电压精度为±0.1%。NTC温度采集电路得到的电压量从AIN1脚输入。AD7888的供电脚5 V要做好滤波，图中接了10 μF,0.1 μF,0.01 μF 3个陶瓷电容到地。没有用到的输入脚AIN2-AIN8不能悬空，要接地，避免引入干扰。

图3 ADC电路

2.3 TEC驱动电路

在一般设计中，H桥电路由4个场效应管组成，通过4个栅极电压控制各个场效应管的导通和截止，从而控制流过TEC片的直流电流的方向。本设计采用集成电路BTN7971B，每片包含一个上管PMOS、一个下管NMOS构成半桥以及一个驱动IC，两片配合可构成H形全桥电路。

图4 TEC驱动电路

选用BTN7971B的原因主要是它的参数与本设计的指标较为匹配，能满足输入电压、电流范围，内部场效应管导通电阻很小，小于20 mΩ，在大电流情况下器件的发热量相对小，很适合用于较高电压、较大电流的TEC温控电路。配合外部电路，BTN7971B容易实现过温、过流、过压等保护以及电流上升斜率调整功能，在大功率应用条件下，比简单地用4个场效应管构成H桥的安全性有很大提升，也比额外增加各种保护电路更简单和经济。此外，用4个场效应管来做H桥电路，需要4个电压控制信号来分别控制4个场效应管，要做好信号之间的配合，避开“死区”时间。“死区”是指H桥电路同一侧的上管和下管在较短时间内同时导通，这会导致电源对地短路。而采用BTN7971B，可自动避免“死区”问题，只需2个控制信号就可驱动，简化了电路和软件设计。

2.4 PCB设计重点

PCB设计是该温控系统电路实现的一个重要方面。ADC的模拟量输入和参考电压基准的走线都要尽量短，避开干扰源，在走线两侧伴着走地线，做好防护；电路主要分为单片机小信号和TEC大电流驱动两部分，两者的地要分割，只在一点连接；大电流工作部分的走线都采用了较宽的铜箔，并均匀打上很多大过孔实现良好散热；两片BTN7971B是板上温度较高的器件，一方面利用板上铜箔辅助散热，另一方面预留了金属热沉的安装位置。

电路部分还包含ATmega128单片机最小系统、按键电路、串口电平转换和从系统供电到5 V的转化电路等，这里就不展开详述。

3 软件设计

主程序main()函数首先是对系统各组成模块，包括按键、液晶显示、SPI接口、串口、定时器和PID参数进行初始化，程序主体包含一个大循环，图5的流程图是此循环中的一次流程。通过2按键方式输入所需控制温度，获取AD7888转化后的数字量，通过查表方式找到当前的实际温度。调用液晶屏显示函数，显示当前温度。编写PID计算函数，采用了分段计算方式，当控制温度与实际温度的差值在-2到2 ℃范围内时才计算PID控制量。与PWM生成模块的占空比调整范围匹配，根据PID控制量输出占空比，根据温度差值是正或负，输出控制方向是加热或制冷。

图5 温控软件流程图

3.1 ADC芯片AD7888的写和读操作

在AD7888开启模数转换功能之前，需要单片机向其写入控制字，设置当前进行转换的模拟输入通道(8个通道中的某一个)、参考电压来源、AD7888工作模式。开启转换功能后，单片机需要定时从AD7888读取转换结果。因此，软件需要编写AD7888的写入和读取函数。由于ATmega128具备SPI接口，可与AD7888通过SPI通信，使得读、写都能够以一个字节为单位进行，避免了繁琐的按位操作，简化了软件设计。ATmega128的SPI接口需要根据AD7888的读、写时序要求进行初始化。

void WriteToAD7888(uchar CtrlWord) //AD7888控制字写入函数

{

uchar ControlValue = 0; //定义无符号字符型变量

ControlValue= CtrlWord; //将控制字赋给变量

PORTB&=0xFE; //拉低CS

SPDR=ControlValue; //将控制字送入SPI数据寄存器

while(!(SPSR&(1<

//否为1，为1说明数据已传完

PORTB|=0x01; //拉高CS，结束写操作

}

uint ReadFromAD7888(void) //AD7888读取函数

{

uint tem_h,tem_l,tem_1,tem_2; //定义无符号整型变量

PORTB&=0xFE; //拉低CS

SPDR=0x00; //写入任意一字节，启动数据移位

while(!(SPSR&(1<

//1，为1说明数据已传完

tem_h=SPDR; //读取高字节

SPDR=0x00; //写入任意一字节，启动数据移位

while(!(SPSR&(1<

//1，为1说明数据已传完

tem_l=SPDR; //读取低字节

Delay_us(10); //延时10us

PORTB|=0x01; //拉高CS，结束读操作

tem_1=tem_h*256;

tem_2=tem_1+tem_l;

TEMP=tem_2; //TEMP是采样到的ADC的数值

return TEMP; //函数返回ADC值

}

在主程序中，对AD7888写入的控制字是0x04，连续读取4次AD转换结果取平均值，得到比较精确的数字量，从而获得更高的转换精度。

3.2 PID控制算法的软件实现

PID控制算法一般有位置式和增量式两大类，相比而言，增量式的计算量小。本设计尝试了这两种算法，位置式在当前的应用中表现更好，因此选择了位置式PID算法，计算式如下：

(2)

(3)

因为OUT的计算中涉及浮点数，计算量非常大，所以采用了分段计算方法：当|EK|≥2时，即当前温度与控制温度还相差较大时，不计算PID控制量OUT，直接用最大的控制量，即全速的加热或制冷；当|EK|<2时，按公式(3)计算OUT。

pid.Pout=pid.Kp*pid.Ek; //比例输出

pid.SEk+=pid.Ek; //历史偏差总和

DelEk=pid.Ek-pid.Ek_1; //最近两次偏差之差

ti=pid.T/pid.Ti;

ki=ti*pid.Kp; //Ki积分系数

pid.Iout=ki*pid.SEk; //积分输出

td=pid.Td/pid.T;

kd=pid.Kp*td; //Kd微分系数

pid.Dout=kd*DelEk; //微分输出

out= pid.Pout+ pid.Iout+ pid.Dout; //PID控制量

3.3 TEC驱动电路的控制信号产生

前述的TEC驱动电路需要两个控制信号：PWM#和DIREC#，都是由ATmega128产生。本设计采用ATmega128的定时计数器T/C3来产生PWM信号，输出引脚是PE3，产生的PWM波形频率为15.625 KHz。DIREC#信号的输出引脚是PE4，是用作普通I/O，产生高或低电平。软件首先需要设置输出信号引脚状态，开启10位快速PWM功能，编写了PWM_init函数。

void PWM_init(void)

{

DDRE |=0x1A; //设置PE3和PE4为输出

PORTE &=0xF7; //设置PE3内部无上拉，PE4为内部上拉

TCCR3A=0x83; //T/C3的通道A设置为比较输出模式

TCCR3B=0x09; //采用10位快速PWM模式，top值为0x03FF(1023)

TCNT3=0X0000; //设置定时器3的初始值为0

OCR3A=512; //设置初始占空比为512/1024=0.5

ETIMSK=0X00; //T/C3的中断屏蔽寄存器设置

}

根据PID控制量OUT的计算结果，产生不同占空比的PWM信号的代码：

if(pid.Ek > 0)

{

PORTE &= ～(1<

if(fabs(out) > 1023)

{ OCR3A = 1023; } //OCR3A的最大值是1023

else

{ OCR3A = fround(fabs(out)); } //将OUT值取绝对值、取整，作为OCR3A

}

else if(pid.Ek <= 0)

{

PORTE |= (1<

if(fabs(out) > 1023)

{ OCR3A = 0; } //OCR3A的最小值是0

else

{ OCR3A = 1023-fround(fabs(out)); }

}

pid.Ek_1=pid.Ek; //将当前误差赋值给上一次误差

4 实验结果与分析

温控系统设计完成后，主要使用4 Ω/50 W的铝壳电阻进行试验。铝壳电阻两端接12 V直流电压，发热功率约为36 W，能模拟该TEC温控系统的一般应用条件。采用100×100×5(mm)的紫铜板作为导热金属板，可为2块TEC片同时导热。TEC片的制冷面均匀涂抹导热硅脂，与紫铜板的一面紧密接触，铝壳电阻固定在紫铜板的另一面中心部位，在紫铜板上铝壳电阻旁边位置钻有小孔，将NTC的感温部分完全埋置其中，并以AB胶封孔。TEC片的制热面均匀涂抹导热硅脂，与一个较大体积的金属热沉紧密接触，并安装有风扇顺着热沉的导热方向吹风，带走热量。设计一个良好的散热、导热和感温的实验装置对TEC温控应用是非常重要的，如果TEC片热面的热量不能及时带走，温度过高，冷面就不能输出低温。

该TEC温控系统支持的TEC片额定电压范围宽，为6～24 V，峰值电流可达20 A，可支持多种型号的TEC片单独使用，还可将TEC片串联或并联使用，以获得更大的制冷或制热功率。在试验中，将2块型号为12708(额定电压12 V，额定电流8 A)的TEC片串联使用，对多种不同温度的升温或降温控制进行了调试。

将此温控系统应用在一个出纤光功率最大为16 W的793 nm半导体激光器上，将激光器的温度控制在25 ℃，激光器内置NTC和TEC片。从激光器阈值电流0.5 A到最大电流2.5 A的范围内，选取不同的电流值来测试温控系统的控温能力。经过多次重复测试，温度波动能保持在±0.05 ℃以内，从起控到温度稳定的时间一般在10分钟以内。图6和图7是当环境温度为28 ℃，激光器工作电流为2 A，初始温度为40 ℃，控温到25 ℃的温度变化过程。每30秒记录一次温度，约5分钟后，温度到达25 ℃附近，此后存在小幅波动，在±0.05 ℃范围内。

图6 从初始温度40 ℃控温到25 ℃

图7 温度达到25 ℃后的变化情况

因为TEC温控系统是由多个部分组成的整体，受到多方面的影响，比如被控对象的形态，温度传感器的固定位置和方式，TEC片的选型和组合，散热条件等，都会影响控温效果。从实验过程发现，一组PID参数(Kp,Ki,Kd)可能无法满足整个控温范围内的要求，可在软件中根据条件设置几组PID参数，也可开放用户微调PID参数的功能。

5 结束语

基于ATmega128的TEC温控系统基本上满足了较大功率TEC片的应用需求，在控温精度方面的表现较好，在调试和测试的过程中，也表现出较好的可靠性和稳定性。后续还将继续改进设计，改用16bit的ADC器件，提高测温精度。PID算法改用变速积分增量方式，有望降低计算复杂度，加快控温响应速度，提高控温精度。现有的PWM频率较低，可提高PWM频率，就能够减小LC滤波的电感量，从而缩小电感的体积，减轻重量。可提高PWM占空比调整的精细程序，从而提高控温精度。电路板还可优化缩小，使其更便于嵌入到小体积产品中。目前，TEC温控系统在各种仪器设备和生活电器等领域有了越来越广泛的应用，本设计的TEC温控系统也可尝试与各种其它产品进行融合。