全光纖電流互感器中的TEC溫控模塊電路設計

郭 震，宋一丁，閆志輝

(許繼電氣技術中心，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著電力系統的快速發展，電網電壓等級大幅提高、傳輸功率的不斷增大，傳統的電磁式電流互感器由于其易飽和、故障響應時間慢、動態范圍及頻響范圍小等缺點，在繼電保護中的局限性日益凸顯。一種新型的全光纖電流互感器以其體積小、質量輕、測量范圍大、頻率響應寬、抗電磁干擾性能強等優點，將成為電子式電流互感器發展的重要方向。全光纖電流互感器是基于Faraday磁光效應進行電流測量的。其中，半導體激光器(laser diode,LD)是全光纖電流互感器中的核心器件。其工作溫度的穩定性與否對于光輸出至關重要，將直接影響一次側電流的采樣精度。因此，必須設計對LD進行溫度控制的硬件電路模塊，以保證全光纖電流互感器的正常工作。

1 激光器溫度控制原理

本文中用于溫控的半導體激光器，采用的是北京世維通公司生產的型號為SPF0400的光器件。該光器件內部集成了激光二極管、半導體熱電制冷器(thermoelectric cooler，TEC)和負溫度系數的熱敏電阻。其中：TEC是電流驅動型器件，可由壓控電流源驅動。該光器件上的壓控引腳為溫控電路模塊提供專用的硬件接口。

TEC的工作原理是利用半導體材料的帕爾貼效應[1-2]，即當直流電流通過兩種半導體材料組成的電偶時，電偶的兩端會出現一端吸熱、一端放熱的現象。LD內部熱電制冷器結構如圖1所示。

圖1 LD內部熱電制冷器結構示意圖

TEC的電偶臂為重參雜碲化鉍的P型和N型半導體材料，使用導電和導熱性都比較好的導電基片使之串聯成一個單體。激光器內部的熱電制冷器是由多對這樣的單體重復排列而成。從電流通路上看，電路呈串聯方式；從熱流通路上看，呈并聯方式。當在電偶臂兩端施加電壓時，這些N型材料中的多余電子和P型材料中的空穴就是熱電材料中負責輸運電能和熱能的載流子。電流沿著N型和P型電偶臂在基片之間流動時，熱流沿著LD向散熱片方向流動，以起到對LD的降溫作用；同理，當施加在電偶臂兩端的電壓為反向時，熱流反向流動，起到加熱作用。

1.1 自動溫度控制原理

自動溫控電路的目標是實現對LD溫度的實時、準確、穩定的控制。這就涉及了閉環自動控制的比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制網絡技術[3-5]。該閉環控制網絡根據輸出量與給定量之間偏差量的大小，通過負反饋作用于控制部分，使輸出量最終穩定在給定量。LD的溫控閉環反饋系統由熱敏電阻、TEC、溫度控制電路組成。RNTC測溫電路如圖2所示。

圖2 RNTC測溫電路

本設計中使用的LD內部集成了負溫度系數熱敏電阻RNTC、光電二極管以及TEC。內部RNTC的型號為10K-3 950K。其表示在常溫25 ℃時，該電阻阻值為10 kΩ，熱敏電阻的材料系數為B=3 950 K。RNTC阻值與溫度的計算公式(1)如下。根據RNTC在溫度T0=25 ℃時，其阻值RT0=10 kΩ，便可求得RNTC在溫度T時的阻值。式(1)中溫度T為開爾文溫度。

(1)

圖2中，電阻RX、R、RNTC連接成分壓電路。當溫度發生變化時，RNTC阻值亦發生變化，其分壓VFB也會發生改變，從而間接反映出LD的自身溫度。由于RNTC的阻值與溫度是非線性的，增加分壓電阻RX、R的目的是為了使VFB與溫度T之間保持近似線性關系。VFB與T的關系如圖3所示。

圖3 VFB與T的關系圖

電阻RX、R由式(2)、式(3)可得：

(2)

R=RX+RMID

(3)

設計電壓VFB的線性溫度區間為15～35 ℃，則在式(2)中，RLOW、RMID、RHIGH分別為RNTC在15 ℃、25 ℃、35 ℃時的阻值。根據式(1)～式(3)，可知：

RX=7.42 kΩ

R=17.42 kΩ

1.2 PID控制網絡

PID控制電路是溫度自動控制的關鍵[6-8]。PID的網絡數學模型為:

(4)

式(4)對應的典型PID控制電路如圖4所示。

圖4 典型PID控制電路

根據基爾霍夫節點電流、電壓定理可知：

(5)

(6)

可推導出輸入電壓Ue與輸出電壓UO的關系：

(7)

經整理，得：

(8)

由式(8)可知，PID控制電路的目的不是做“計算器”，而是對信號進行調理。

2 基于芯片ADN8834的溫度控制電路

ADN8834內部原理與外圍硬件電路如圖5所示。ADN8834芯片是ADI公司的一款集成TEC控制器的單芯片溫控芯片。它的主要功能模塊包括溫度檢測電路、誤差放大器和補償器、TEC電壓/電流檢測和限值電路、差分電壓驅動器。

圖5 ADN8834內部原理與外圍硬件電路

芯片內部的模擬熱反饋環路包括兩級，由誤差放大器和比較放大器與其外圍電阻、電容構成。誤差放大器的輸出UOUT1為：

(9)

式中：UREF為芯片UREF管腳的輸出電壓，為2.5 V。

當RNTC溫度為25 ℃時，其輸出電壓為UREF/2=1.25 V。LD在15～35 ℃范圍內。由1.1節可知，UOUT1與溫度T近似為線性關系：

UOUT1=0.123 57×T-1.84

(10)

UOUT1的輸出圍繞在1.25 V附近呈線性關系，溫度每上升1 ℃，輸出增加約120 mV,且能達到0.15%的線性度。UOUT1的電壓輸出與溫度設定電壓UTEMSET進行比較，產生一個誤差電壓作為PID補償網絡的輸入。由于在LD達到目標25 ℃時，UOUT1=1.25 V，因此UTEMPSET的電壓設定同樣為1.25 V。

圖5中的比較器與其外圍阻容元件R1、RD、C1、R2、C2、CF用來構建一個PID補償網絡，輸出電壓UOUT2是對誤差電壓UOUT1的反饋輸出。UOUT2通過控制TEC驅動模塊的差分輸出電壓UPN。UPN使得通過TEC的電流帶走LD的熱量，或者平穩地變為相反極性以加熱該LD。UOUT2、UPN可表示為：

(11)

UPN=UTEC+-UTEC-=-5×(UOUT2-1.25)

(12)

式中：Z1為R1與C1、RD的并聯阻抗；Z2為CF與C2、R2的并聯阻抗。

根據式(9)、式(11)、式(12)可知，整個溫控負反饋過程可以表示為：假設LD溫度↑→RNTC阻值↓→UOUT1↑→UOUT2↓→UPN↑→LD溫度↓。

PID網絡中各阻容參數的設定可以通過數學或者經驗的方法確定。但要從數學上模擬熱環路，需要TEC、LD、連接器和散熱器的精確熱時間常數。這些并不易獲得。一般工程上，針對具體的LD，利用臨界比例法對電路參數完成整定過程[9-10]。整個過程如下所示。

①LD可以暫時不用上電，只需把LD內部的NTC電阻與TEC電路連接到溫控系統。

③增加C2，并加入積分控制環節。當UOUT2出現震蕩時，增大C2，使其為原來參數的兩倍。理想情況下，使系統的0 dB穿越頻率為0.1 Hz。

④加入微分控制環節，短接電阻RD，增加C1的容值，直到UOUT2出現震蕩；然后，加上RD,減小C1的容值，直到UOUT2輸出穩定。其中：RD的增加能減小C1的容值。

⑤增加反饋電容CF，一般值得大小為220 pF～10 nF。該電容為相位補償，增加整個溫控系統的相位裕度。

根據得出的阻容參數，PID電路的開環幅頻/相頻響應曲線如圖6所示。

圖6 PID電路的開環幅頻/相頻響應曲線

根據仿真結果可知，該補償網絡包含一個極低頻率的極點、一個零點、一個高頻極點，其穿越0dB的相位裕度大約為60°。由此可見，該系統為穩定的PID補償系統。

芯片內部的TEC電壓/電流檢測和限值電路能夠通過UTEC、ITEC管腳上的電壓值，實時監測TEC驅動模塊的輸出電壓以及驅動電流。通過設置VLIM管腳和ILIM管腳上的電壓值，可限制TEC驅動模塊的輸出電壓以及驅動電流的上限。TEC電壓驅動模塊含有一個線性驅動器和一個開關模式驅動器。線性模式驅動器更簡單、更小，但效率不佳。開關模式驅動器具有良好的轉換效率，可高達90%以上，但輸出端仍需要額外的濾波電感和電容。ADN8834內部使用混合配置方式，在保證高效率性能的同時，也可使體積較大濾波元件的數量減半，有助于最大程度地縮減功率損耗、電路尺寸、散熱器需求和成本。

3 LD溫控電路測試

該溫控電路經過了以下兩項測試。

①對TEC建立時間的測試：在常溫25 ℃，通過對溫度設定管腳(IN2P)施加一個周期性階躍信號(1.25 V→1.75 V→1.25 V)，周期為12 s；通過改變設定溫度，可間接測試TEC的制冷/制熱的建立時間，即ADN8834內部的比較放大器輸出電壓UOUT2的穩定時間。

實測可知，在模擬制熱模式(1.25 V→1.75 V)，LD溫度的穩定時間約為0.5 s，在模擬制冷模式(1.75 V→1.25 V)，LD溫度的穩定時間約為0.6 s。

②分別對LD在高溫55 ℃和低溫-25 ℃拷機兩小時，測試TEC溫控電路在設定溫度為25 ℃的條件下的LD溫度。LD溫度隨時間變化曲線如圖7所示。其采樣間隔為1 s。

圖7 LD溫度隨時間變化曲線

從圖7可知，在高溫55 ℃環境下，LD的模塊溫度被穩定在25.01～25.03 ℃；在低溫-25 ℃環境下，LD的模塊溫度被穩定在24.99～25 ℃；在全溫度范圍-25～+55 ℃，溫控精度能達到0.01 ℃，溫度穩定度為0.04 ℃。

4 結束語

本文重點介紹了TEC溫度控制原理與PID控制補償網絡，設計了基于ADI公司的TEC溫控芯片ADN8834。該LD自適應溫控電路能在全溫度范圍(-25～+55 ℃)內穩定工作。在設定目標溫度為25 ℃的條件下，LD的溫度控制精度能達到0.01 ℃，溫度穩定度為0.04 ℃。對該溫控電路的穩定性進行了開環增益仿真，相位裕度約為60°，完全滿足穩定性要求。經過實測，其在制冷/制熱模式下，溫度響應時間均小于1 s，遠超同類產品。該自適應溫控電路能夠非常方便地集成到需要半導體制冷/制熱的激光器溫控系統中，應用價值巨大。該電路極大地提高了全光纖電流互感器采集單元的安全性、可靠性、穩定性，具有推廣的意義。