基于半導體制冷的星載CCD測試用低溫環境裝置設計

叢 山，張大宇，常明超，溫 強，袁鵬程，王 賀

（1.中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094； 2.哈爾濱工程大學 理學院，哈爾濱 150001）

0 引言

CCD器件對熱極為敏感，工作溫度每升高6℃，其信號噪聲升高1倍，暗電流、光電轉換效率等性能也會受到極大影響，為保證CCD器件的優良性能，一般使其工作在較低的溫度范圍內。航天器用星載CCD器件在使用前必須開展相關質量保證工作，其中低溫環境下的光電性能測試至關重要。目前，一般使用制冷劑汽化制冷實現星載CCD器件低溫性能測試的低溫環境模擬，其優點是制冷效率高、溫度低，但存在噪聲大、振動大，實驗裝置體積龐大且無法外置光源，以及局部控溫精度低等缺點。近年來，半導體制冷器由于其具有無噪聲、無振動、無須制冷器、體較小、重量輕等優勢[1]，被廣泛應用于冷量需求和占地空間均較小的場合。

本文提出一種利用半導體制冷器進行水冷，采用新型水冷雙循環結構散熱，結合抗積分飽和PID控制算法與溫度傳感器對溫度信息的反饋，以及脈沖寬度調制（PWM）技術控制半導體制冷器的制冷能力，實現對測試環境低溫控制的裝置。該裝置較制冷劑制冷設備運行噪聲更低、控溫精度更高、制冷速度更快，更適合光學成像器件的低溫性能測試；此外，該裝置的低溫箱小巧輕便，可裝配于CCD測試暗箱內，在低溫箱壁上設計通光孔即可打通明場測試光路，實現宇航用星載CCD質量保證所要求的低溫下明、暗場的全參數測試。

1 星載CCD測試用低溫環境控制技術簡述

目前的星載CCD工作環境溫度范圍一般為-30～0℃，常用的低溫箱即可滿足其低溫測試的溫度需求。此類制冷設備一般使用制冷劑（如氟里昂或液氮）制冷，其工作原理類似于電冰箱，即利用制冷劑汽化吸熱制冷，汽化產生的蒸氣經壓縮機壓縮后向外界轉移。系統一般由壓縮機、冷凝器、節流裝置、蒸發器等組成。其中壓縮機是制冷循環的動力，能夠及時抽出蒸發器內的蒸氣，維持低溫低壓，同時通過壓縮作用提高制冷劑蒸氣的壓力和溫度，創造將制冷劑蒸氣的熱量向外界環境介質轉移的條件。此類制冷系統對于CCD等精密光學成像器件的測試而言，存在諸多缺點：首先，壓縮機運行產生的噪聲與振動必然會引入測試誤差，影響測試精度與不確定度；其次，壓縮機與抽氣泵導致系統體積龐大，最小的低溫箱體積也有約1 m3，不便裝配于CCD測試暗箱中，無法實現低溫環境下的暗場參數測試；另外，對箱體進行整體溫控的方式，只能確保箱體內的平均控溫精度，無法精確到某點，即無法針對被測器件的局部環境或某個位置進行控溫，控溫精度較低。

2 雙循環水冷半導體制冷方案

本文設計的CCD低溫測試裝置主要由上位機、CCD數據采集電路和環境控制系統3部分組成（如圖1所示）。其中，上位機在整套裝置中起主導作用，負責向CCD數據采集電路發送命令控制其工作，同時接收采集上傳的CCD像素信號并進行數據處理和計算；CCD數據采集電路根據上位機下發的命令產生驅動時序來驅動CCD正常工作，并讀取CCD數據傳送至上位機；環境控制系統主要負責環境溫度的控制，為CCD數據采集電路提供穩定的測試環境。

圖1 CCD低溫測試裝置總體框圖Fig.1 Block diagram of the low-temperature CCD test system

環境控制系統采用水冷雙循環結構的半導體制冷方案，使用半導體制冷片，采用外循環帶動內循環進行散熱的新型雙級水冷串聯結構來實現被測器件的局部低溫。這種水冷雙循環半導體制冷結構能夠保證冷頭具有較大的冷卻功率與較高的溫控精度，同時具有很強的靈活性以適應各種被測光學成像器件不同的低溫測試要求。

2.1 半導體制冷技術

熱電制冷器（TEC）又稱半導體制冷片（圖2），是利用碲化鉍化合物固溶體制作的半導體器件，其基本結構由P型半導體、金屬連接片和N型半導體組成，三者通過一定順序連接構成一組熱電偶[2]，一系列熱電偶之間經過串聯并用陶瓷材料進行封裝成片，即可制作成熱電制冷器。

圖2 半導體制冷片結構示意Fig.2 Schematic diagram of TEC

如圖2所示，熱電偶金屬片1、3兩端接通電源后，回路中電子通過電源負極、金屬片1、N型半導體、金屬片2、P型半導體、金屬片3、電源正極的路徑轉移。在電子轉移的過程中，由于半導體和金屬的費米能級不同，當電子由金屬片1進入N型半導體時需要吸收熱量；當電子由N型半導體進入金屬片2時需要釋放熱量；當電子由金屬片2進入P型半導體時需要釋放熱量；當電子由P型半導體進入金屬片3時需要吸收熱量。經過以上過程，電子會在熱電制冷器的一側吸收熱量，另一側釋放熱量，形成熱電制冷器的冷端和熱端[3-4]。

2.2 雙循環水冷結構

目前主要有3種半導體制冷片的散熱方案，分別為空氣散熱、熱管散熱和水冷散熱。其中，空氣散熱冷卻方式散熱性能較差；熱管散熱冷卻方式的散熱性能較為優異，但管狀結構不易與發熱體緊密貼合，多利用在特殊的散熱場合，局限性較大；水冷散熱冷卻方式的散熱性能良好，具有靈活的延伸性和擴展性。雙循環水冷結構在水冷散熱方案的基礎上，設計了一種兩級半導體制冷水冷系統（如圖3所示），能有效提高終端的制冷能力。

圖3 低溫箱雙循環水冷散熱系統示意Fig.3 Schematic diagram of the low-temperature water cooling system

兩級水冷循環系統包含外循環和內循環2部分。水冷外循環由冷頭（2個）、過濾器、水箱、水泵、冷排、散熱扇及管道組成；水冷內循環由冷頭（3個）、雜質過濾器、水箱、水泵和管道組成。水冷外循環2個冷頭和水冷內循環2個冷頭分別與2片熱電制冷片的熱端和冷端緊貼，熱電制冷器的熱端貼合于水冷外循環的冷頭之上，冷端貼合于水冷內循環的冷頭之上。水冷內循環的另一個冷頭上貼有1片熱電制冷器，熱電制冷器的熱端貼合于水冷的冷頭之上，冷端貼合于圖像傳感器測試平臺上的導冷塊之上，熱電制冷器和冷頭及導冷塊之間均勻填涂導熱硅脂。

熱電制冷水冷散熱過程為：熱電制冷器1的冷端不斷吸收外界熱量使周圍的溫度降低，熱端不斷向外界釋放熱量使冷頭1溫度升高，冷頭1將熱量傳遞給內循環水，內循環水的溫度升高，循環水在水泵的驅使下流經冷頭2和3，熱電制冷器2和3將水冷內循環中循環水的熱量帶入到水冷外循環中，水冷內循環中的循環水溫度降低，通過依次循環使水冷內循環中的循環水溫度保持相對穩定，熱電制冷器1冷端的溫度持續降低；內循環中的熱量被熱電制冷器2和3帶入到水冷外循環后經冷頭4和5將熱量傳遞給循環水，循環水在水泵的驅使下流經冷排，在冷排和散熱扇的作用下，循環水的溫度下降，然后再次流經冷頭4和5將熱量帶出。經測試，通過兩級水冷循環，導冷塊溫度可以降低到-30℃以下，并有較大的冷量輸出能力。

3 溫度控制系統設計

溫度控制系統共設置6個溫度傳感器，其中1個安裝于被測器件的導冷塊上，可隨時監測器件管殼周圍的環境溫度；其余5個分布于水冷內循環系統的各個部位，既可實現針對器件周圍局部環境的精確控溫，又可實現從器件至整個低溫箱體的逐級環境溫度控制。控制系統的硬件電路分為溫度數據采集電路和溫度控制硬件電路2個模塊，均以ARM為控制核心，通過CAN總線相連實現互通。

3.1 溫度數據采集電路

圖4 溫度數據采集電路原理Fig.4 Principle of the temperature data acquisition circuit

3.2 溫度控制電路

熱電制冷器正常工作時允許輸入的電壓為0～24 V、電流為0～8 A，因此需采用改造后的開關電源為熱電制冷器提供電源驅動，即通過中央微處理器使用PWM方式調節開關電源輸出電壓的大小實現對熱電制冷器制冷能力的控制。開關電源PWM信號電壓調節接口電路原理如圖5所示。其中，U1為 TLP521，起電氣隔離作用；R3、C1、R4、C2構成二階RC濾波網絡，將微處理器的WPM信號轉化成與其占空比對應的直流信號（幅值范圍0～5 V）并輸出，WPM信號周期為1 KHz，占空比為1%～99%；P1為接線端子，第1、3引腳為開關電源4.9 V基準電壓的輸入端，第2引腳為開關電源的控制信號輸出端，此直流電壓信號能夠控制開關電源的輸出電壓。

圖5 熱電制冷控制電路原理Fig.5 Principle of the thermoelectric refrigeration control circuit

本實驗裝置采用MCP2551芯片作為CAN總線收發器（如圖6所示）。

圖6 CAN總線電路原理Fig.6 Circuit principle of the CAN bus

MCP2551為SOP-8封裝，外圍電路結構簡單，接收端與CAN控制器相連，發送端CANH和CANL之間需要接入端接電阻，以使輸出阻抗得到最佳匹配，提高信號的信噪比，減小誤碼率。

溫度數據采集電路和溫度控制電路間的CAN物理總線為雙絞線，如圖7所示。

圖7 CAN物理總線電路連接示意Fig.7 Circuit connection diagram of the CAN bus

4 PID調節算法

4.1 傳統 PID 算法

PID控制即比例-積分-微分控制，是自動控制原理中成熟且可靠的經典控制算法，被廣泛應用于工業控制[5-6]，算法系統如圖8所示。

圖8 PID控制算法系統框圖Fig.8 Block diagram of the PID control algorithm system

傳統的PID控制算法在運行中會出現積分飽和現象，這是因為系統自身存在一定的缺陷，會產生逆轉困難的偏差。隨著時間的增加，PID控制算法中PID調節器的積分部分逐漸累加增大，從而被控對象的輸入量超過其正常輸入范圍，使被控對象的輸出量達到最大值，繼而出現飽和現象；但偏差依舊存在，PID調節器的積分部分仍然在增大，當PID控制算法出現反向偏差時，由于積分部分較大，被控對象無法在短時間內退出飽和區，就會出現較大的時延，而退出飽和區后由于積分部分衰減嚴重，被控對象的輸出量迅速減小，使被控對象輸出量出現波動，從而限制了PID控制算法的控制靈敏度，控制性能變差。本實驗裝置若采用傳統的線性PID控制，則穩態誤差不小于±3℃，且調節時間需30 min以上，不能滿足CCD低溫環境測試的要求。

4.2 改進型 PID 控制算法

經過多年的發展，多種改進型PID控制算法及與智能算法相結合的新型PID控制算法被提出，主要的改進型PID控制算法有抗積分飽和PID控制算法、模糊PID控制算法、自適應PID控制算法和神經網絡PID控制算法等[7-8]。其中，抗積分飽和PID控制算法即為了解決PID控制算法在運行中出現積分飽和現象而提出的。

由于本實驗裝置為主動制冷，一旦PID控制算法出現超調，即低溫箱內導冷塊的溫度低于設定溫度，只能通過低溫箱內部相對較高的環境溫度使導冷塊溫度回升，而這一過程不受控，且耗時較長，可能導致積分飽和。為此，控制器采用遇限消弱積分項的非線性PID控制算法抑制積分飽和，具體流程如圖9所示。先通過評估誤差信號E(t)決定是否對PID調節器積分項進行限定，如果誤差信號進入某誤差帶，則相應減小積分常數；如果出現超調，則進一步限制控制量，此時引入衰減系數可使積分項快速衰減，達到目標量快速退出飽和區的目的；如果沒有超調，則正常計算PID控制輸出量U(t)。

圖9 遇限消弱積分項的抗積分飽和PID控制算法流程Fig.9 Flow chart of anti-integral saturation PID control algorithm for the integral term of weakening at limit

4.3 熱電制冷控制策略

實驗裝置中包含3片熱電制冷器，為充分發揮其制冷性能，快速到達設定制冷溫度，降低實驗裝置的最低制冷溫度，本文將設定的制冷溫度劃分為-30～-15℃、-15～0℃、0～5℃3 個區間，3 片熱電制冷器在每個區間內的工作狀態不同，具體控制策略參見圖10。如圖所示，3個熱電制冷器分別負責控制不同溫度區間的溫度?？刂屏鞒虨椋号袛嗄繕藴囟仁欠裨O置在相應溫度區間，之后基于改進型PID控制算法控制相應熱電制冷器進行制冷，過程中通過溫度傳感器對導冷塊以及水冷內循環溫度進行監測，達到目標溫度時停止制冷，否則控制相應制冷器繼續制冷。

圖10 熱電制冷控制策略Fig.10 Thermoelectric refrigeration control strategy

5 低溫實驗裝置及制冷實驗

5.1 低溫實驗裝置

為了提高制冷效率和方便操作，本實驗裝置將散熱裝置、控制系統、供電電源和制冷裝置分離設置，其中散熱裝置、控制系統和電源安裝在控制機柜內，制冷裝置裝配于低溫箱內，參見圖11?？刂茩C柜和低溫箱是兩個分立的裝置，中間通過通信電纜、電源電纜、水冷水管相連接。通信電纜利用CAN總線將低溫箱內硬件電路采集到的溫濕度數據傳送到操作柜內硬件電路，并將操作柜內硬件電路發送的各種指令傳輸到低溫箱內硬件電路；電源電纜將操作柜內各種電壓等級的電源輸送到低溫箱內，為低溫箱內各種用電設備提供工作電能；水冷水管聯通外循環水冷系統，將內循環水冷系統的熱量散發出來。由圖11(c)所示的低溫箱實物可見，低溫箱壁上設計有直徑約20 cm的通光孔，用于連通積分球到被測器件表面的光路，可實現低溫下CCD的明場參數測試。

圖11 低溫實驗裝置Fig.11 The low temperature test equipment

5.2 低溫制冷實驗

本實驗裝置制冷溫度在0～5℃范圍內的控制策略為：熱電制冷器1不工作，只使用熱電制冷器2、3進行制冷，熱電制冷器2、3制冷將水冷內循環的水溫降低，從而將導冷頭的溫度降低到設定的溫度值。制冷溫度在0～-15℃范圍內的控制策略為：3片熱電制冷器同時工作，將導冷頭的溫度降低到設定的溫度值。制冷溫度在-15～-30℃范圍內的控制策略為：外部2片熱電制冷器先開始工作，將水冷內循環的水溫降低到一定的溫度，然后導冷頭處的熱電制冷器再開始工作，將導冷頭的溫度降低到設定的溫度值。

不同目標溫度下導冷塊溫度隨時間變化曲線如圖12所示。

為了測試制冷溫度的穩定度，分別在導冷塊溫度達到0℃、-15℃、-30℃后，在10 min的時間內每隔10 s記錄1次溫度數據，然后繪制導冷塊溫度波動曲線如圖13～圖15所示。可以看出，導冷塊溫度的最大波動為±0.49℃。這一結果較線性PID控制器下的穩態誤差±3℃而言明顯降低，且溫度控制的動態響應時間由30 min以上壓縮至20 min以內，明顯縮短了實驗時間。

圖12 不同目標溫度下導冷塊溫度隨時間變化曲線Fig.12 The temperature of the copper block against the time at different target temperatures

圖13 0℃時導冷塊溫度波動曲線Fig.13 Temperature fluctuation of copper block at 0℃

圖14 -15℃時導冷塊溫度波動曲線Fig.14 Temperature fluctuation of copper block at -15℃

圖15 -30℃時導冷塊溫度波動曲線Fig.15 Temperature fluctuation of copper block at -30℃

6 結束語

文章設計了一種低溫環境實驗裝置，基于雙循環水冷半導體制冷方式與抗積分飽和PID控制算法進行溫度調節，并利用溫度傳感器進行溫度信息反饋，以及脈沖寬度調制（PWM）技術控制半導體制冷器的制冷能力，實現了從器件局部至整個實驗環境的逐級低溫精確控制功能。該裝置具備體積小、重量輕、無振動、無噪聲等優點，能夠成功實現最低-30℃的制冷，連續監測10 min溫度波動為±0.49℃。同時，低溫箱可放置于CCD測試暗箱內，在低溫箱壁上設置通光孔即可實現低溫下的CCD明場測試。

實驗結果表明該裝置能夠為CCD提供一個穩定的低溫測試環境，滿足宇航用星載CCD低溫下全參數測試的高可靠需求，并得到航天成像設備研制方的認可，亦可擴展應用于各類成像器件的低溫測試中。