全光纤电流互感器中的TEC温控模块电路设计

全光纤电流互感器中的TEC温控模块电路设计郭震;宋一丁;闫志辉【期刊名称】《《自动化仪表》》【年(卷)，期】2019(040)012【总页数】5页(P41-45)【关键词】半导体激光器;半导体热电制冷器;温度控制;PID;ADN8834【作者】郭震;宋一丁;闫志辉【作者单位】许继电气技术中心河南许昌461000【正文语种】中文【中图分类】TH710引言随着电力系统的快速发展，电网电压等级大幅提高、传输功率的不断增大，传统的电磁式电流互感器由于其易饱和、故障响应时间慢、动态范围及频响范围小等缺点，在继电保护中的局限性日益凸显。一种新型的全光纤电流互感器以其体积小、质量轻、测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰性能强等优点，将成为电子式电流互感器发展的重要方向。全光纤电流互感器是基于Faraday磁光效应进行电流测量的。其中，半导体激光器(laserdiode,LD)是全光纤电流互感器中的核心器件。其工作温度的稳定性与否对于光输出至关重要，将直接影响一次侧电流的采样精度。因此，必须设计对LD进行温度控制的硬件电路模块，以保证全光纤电流互感器的正常工作。1激光器温度控制原理本文中用于温控的半导体激光器，采用的是北京世维通公司生产的型号为SPF0400的光器件。该光器件内部集成了激光二极管、半导体热电制冷器(thermoelectriccooler，TEC)和负温度系数的热敏电阻。其中：TEC是电流驱动型器件，可由压控电流源驱动。该光器件上的压控弓I脚为温控电路模块提供专用的硬件接口。TEC的工作原理是利用半导体材料的帕尔贴效应［1-2］，即当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，电偶的两端会出现一端吸热、一端放热的现象。LD内部热电制冷器结构如图1所示。图1LD内部热电制冷器结构示意图Fig.1SchematicdiagramofthethermoelectriccoolerinLDTEC的电偶臂为重参杂碲化祕的P型和N型半导体材料，使用导电和导热性都比较好的导电基片使之串联成一个单体。激光器内部的热电制冷器是由多对这样的单体重复排列而成。从电流通路上看，电路呈串联方式；从热流通路上看，呈并联方式。当在电偶臂两端施加电压时，这些N型材料中的多余电子和P型材料中的空穴就是热电材料中负责输运电能和热能的载流子。电流沿着N型和P型电偶臂在基片之间流动时，热流沿着LD向散热片方向流动，以起到对LD的降温作用；同理，当施加在电偶臂两端的电压为反向时，热流反向流动，起到加热作用。1.1自动温度控制原理自动温控电路的目标是实现对LD温度的实时、准确、稳定的控制。这就涉及了闭环自动控制的比例积分微分(proportionalintegraldifferential,PID)控制网络技术［3-5］。该闭环控制网络根据输出量与给定量之间偏差量的大小，通过负反馈作用于控制部分，使输出量最终稳定在给定量。LD的温控闭环反馈系统由热敏电阻、TEC、温度控制电路组成。RNTC测温电路如图2所示。图2RNTC测温电路Fig.2RNTCtemperaturemeasurementcircuit本设计中使用的LD内部集成了负温度系数热敏电阻RNTC、光电二极管以及TEC。内部RNTC的型号为10K-3950K。其表示在常温25°C时，该电阻阻值为10kQ,热敏电阻的材料系数为B=3950K。RNTC阻值与温度的计算公式(1)如下。根据RNTC在温度T0=25C时，其阻值RT0=10kQ,便可求得RNTC在温度T时的阻值。式(1)中温度T为开尔文温度。(1)图2中，电阻RX、R、RNTC连接成分压电路。当温度发生变化时，RNTC阻值亦发生变化，其分压VFB也会发生改变，从而间接反映出LD的自身温度。由于RNTC的阻值与温度是非线性的，增加分压电阻RX、R的目的是为了使VFB与温度T之间保持近似线性关系。VFB与T的关系如图3所示。图3VFB与T的关系图Fig.3TherelationshipbetweenVFBandTemperature电阻RX、R由式(2)、式(3)可得：(2)R=RX+RMID(3)设计电压VFB的线性温度区间为15~35C,则在式(2)中，RLOW、RMID、RHIGH分别为RNTC在15C、25C、35C时的阻值。根据式(1)~式(3),可知：RX=7.42kQ1.2PID控制网络PID控制电路是温度自动控制的关键［6-8］。PID的网络数学模型为:⑷式中：KP为比例系数；为积分时间常数;TD为微分时间常数。式(4)对应的典型PID控制电路如图4所示。图4典型PID控制电路Fig.4TypicalPIDcontrolcircuit根据基尔霍夫节点电流、电压定理可知：⑸(6)可推导出输入电压Ue与输出电压UO的关系：⑺经整理，得：(8)式中：ue为误差；Uo为对误差量作出反应的输出;为比例系数，比例环节代表的误差越大反馈越大；为积分时间系数，积分环节代表误差的持续时间，持续时间越长，反馈越大；-R2C1为微分时间系数，微分环节代表误差的变化率，变化率越大，反馈越大。由式(8)可知，PID控制电路的目的不是做〃计算器”，而是对信号进行调理。2基于芯片ADN8834的温度控制电路ADN8834内部原理与外围硬件电路如图5所示。ADN8834芯片是ADI公司的一款集成TEC控制器的单芯片温控芯片。它的主要功能模块包括温度检测电路、误差放大器和补偿器、TEC电压/电流检测和限值电路、差分电压驱动器。图5ADN8834内部原理与外围硬件电路Fig.5InternalprincipleandperipheralhardwarecircuitofADN8834芯片内部的模拟热反馈环路包括两级，由误差放大器和比较放大器与其外围电阻、电容构成。误差放大器的输出UOUT1为：⑼式中：UREF为芯片UREF管脚的输出电压，为2.5V。当RNTC温度为25°C时，其输出电压为UREF/2=1.25V。LD在15-35°C范围内。由1.1节可知，UOUT1与温度T近似为线性关系：UOUT1=0.12357xT-1.84(10)UOUT1的输出围绕在1.25V附近呈线性关系，温度每上升1°C,输出增加约120mV,且能达到0.15%的线性度。UOUT1的电压输出与温度设定电压UTEMSET进行比较，产生一个误差电压作为PID补偿网络的输入。由于在LD达到目标25°C时，UOUT1=1.25V,因此UTEMPSET的电压设定同样为1.25V。图5中的比较器与其外围阻容元件R1、RD、C1、R2、C2、CF用来构建一个PID补偿网络，输出电压UOUT2是对误差电压UOUT1的反馈输出。UOUT2通过控制TEC驱动模块的差分输出电压UPN。UPN使得通过TEC的电流带走LD的热量，或者平稳地变为相反极性以加热该LD。UOUT2、UPN可表示为：UPN=UTEC+-UTEC-=-5x(UOUT2-1.25)(12)式中：Z1为R1与C1、RD的并联阻抗；Z2为CF与C2、R2的并联阻抗。根据式(9)、式(11)、式(12)可知，整个温控负反馈过程可以表示为：假设LD温度f-RNTC阻值l^UOUT1T^UOUT2l^UPNT^LD温度1。PID网络中各阻容参数的设定可以通过数学或者经验的方法确定。但要从数学上模拟热环路，需要TEC、LD、连接器和散热器的精确热时间常数。这些并不易获得。—般工程上，针对具体的LD,利用临界比例法对电路参数完成整定过程［9-10］。整个过程如下所示。LD可以暂时不用上电，只需把LD内部的NTC电阻与TEC电路连接到温控系统。暂时去除C1,短接C2,仅使用比例放大电路进行系统控制，调节比例放大系数直到示波器测得UOUT2信号出现反复震荡;然后将其比例系数缩小为原来的增加C2，并加入积分控制环节。当UOUT2出现震荡时，增大C2，使其为原来参数的两倍。理想情况下，使系统的0dB穿越频率为0.1Hz。加入微分控制环节，短接电阻RD，增加C1的容值，直到UOUT2出现震荡；然后，加上RD,减小C1的容值，直到UOUT2输出稳定。其中：RD的增加能减小C1的容值。增加反馈电容CF，一般值得大小为220pF~10nF。该电容为相位补偿，增加整个温控系统的相位裕度。根据得出的阻容参数，PID电路的开环幅频/相频响应曲线如图6所示。图6PID电路的开环幅频/相频响应曲线Fig.6Openloopamplitude/phasefrequencyresponsecurvesofPIDcircuit根据仿真结果可知，该补偿网络包含一个极低频率的极点、一个零点、一个高频极点，其穿越0dB的相位裕度大约为60°。由此可见，该系统为稳定的PID补偿系统。芯片内部的TEC电压/电流检测和限值电路能够通过UTEC、ITEC管脚上的电压值，实时监测TEC驱动模块的输出电压以及驱动电流。通过设置VLIM管脚和ILIM管脚上的电压值，可限制TEC驱动模块的输出电压以及驱动电流的上限。TEC电压驱动模块含有一个线性驱动器和一个开关模式驱动器。线性模式驱动器更简单、更小，但效率不佳。开关模式驱动器具有良好的转换效率，可高达90%以上，但输出端仍需要额外的滤波电感和电容。ADN8834内部使用混合配置方式，在保证高效率性能的同时，也可使体积较大滤波元件的数量减半，有助于最大程度地缩减功率损耗、电路尺寸、散热器需求和成本。3LD温控电路测试该温控电路经过了以下两项测试。对TEC建立时间的测试：在常温25°C,通过对温度设定管脚(IN2P)施加一个周期性阶跃信号(1.25V-1.75V-1.25V),周期为12s；通过改变设定温度，可间接测试TEC的制冷/制热的建立时间，即ADN8834内部的比较放大器输出电压UOUT2的稳定时间。实测可知，在模拟制热模式(1.25V-1.75V),LD温度的稳定时间约为0.5s,在模拟制冷模式(1.75V-1.25V),LD温度的稳定时间约为0.6s。分别对LD在高温55C和低温-25C拷机两小时，测试TEC温控电路在设定温度为25C的条件下的LD温度。LD温度随时间变化曲线如图7所示。其采样间隔为1s。图7LD温度随时间变化曲线Fig.7LDtemperaturevariationwithtime从图7可知，在高温55C环境下，LD的模块温度被稳定在25.01-25.03C;在低温-25C环境下，LD的模块温度被稳定在24.99-25C;在全温度范围-25~+55°C,温控精度能达到0.01°C,温度稳定度为0.04C4结束语本文重点介绍了TEC温度控制原理与PID控制补偿网络，设计了基于ADI公司的TEC温控芯片ADN8834。该LD自适应温控电路能在全温度范围(-25~+55C)内稳定工作。在设定目标温度为25°C的条件下，LD的温度控制精度能达到0.01°C,温度稳定度为0.04°C。对该温控电路的稳定性进行了开环增益仿真，相位裕度约为60°，完全满足稳定性要求。经过实测，其在制冷/制热模式下，温度响应时间均小于1s，远超同类产品。该自适应温控电路能够非常方便地集成到需要半导体制冷/制热的激光器温控系统中，应用价值巨大。该电路极大地提高了全光纤电流互感器采集单元的安全性、可靠性、稳定性，具有推广的意义。参考文献：【相关文献】龙燕，任青毅，曹科峰，等.一种半导体激光器的精密温度控制电路[J].信息与电子工程，2007,5(2):158-160.陈晨，党敬民，黄渐强，等.高稳定、强鲁棒性DFB激光器温度控制系统[J].吉林大学学报(工学版),2013,43(4):1004-1010.汪灵，叶会英，赵闻.半导体激光器温度控制系统设计与算法仿真[J].仪表技术与传感器，2013(5):95-98.张鹏亮，张立琛.基于PID算法的半导体激光器温控系统设计[J].电子科学技术,2016,3(5):543-545.孙冬娇，刘清倦.TEC的半导体激光器恒温控制系统设计[J].机械电子,2014(8):52-55.刘云芳，张晓.模拟PID电路参数自