智能温控器

　　本文介绍了一种微小型智能温控器技术。该温控器无需软件干预，可自行实现闭环控温。具有目标温度可调，精度高，体积小，自成负反馈系统的特点。易于形成结构多样的分布式控温网络。控温试验表明该技术可广泛应用于小型卫星、分布式高精度温控系统、黑体控温以及一些地面恒温控制等。

　　温度是影响航天产品工作的重要物理量。国外的一些国防卫星计划、光学系统、电子频率基准等精确控温场合已大量采用分布式控温装置。分布式控温装置将温度控制传感器、加热片、控制器就近安装于被控部件，不仅能获得较高的控制精度，且各信号不必通过大量长电缆集中到控温装置，减少了长线传输造成的测量误差和功率损耗，降低了卫星质量负荷和电缆铺设的复杂程度，并且有利于热设计拓扑布局，弥补了集中控温装置的不足。

　　本文提出的微小型智能科技温控器技术适应于控温路数要求较少、安装灵活便捷的分布式控温场合，如CMOS小相机系统。该控温器精度高，性能可靠，体积小，质量轻，自身结构简单易于安装，易于形成灵活的控温网络结构，实现分布式控温，试验表明该微小型智能控温器控温效果良好，能够满足空间相机的控温需求。

　　1 温控器电路设计

　　微小型智能温控器(以下简称温控器)包括以下几部分：控温预置电路，智能控温电路及驱动输出电路和反馈检测电路组成，如图1所示。控温预置电路接受外部设备提供的温度设置数字信号，主要由DA转换芯片组成，将数字信号转化为后续电路使用的模拟信号。智能控温电路及驱动输出电路是控制的核心部分，主要由PWM控制芯片和MOSFET组成。驱动输出电路直接连接被控对象，实现闭环管理和控制信号输出功能。反馈检测电路实现对控制对象实时温度的采集，主要由热敏电阻组成。下面将分别详细介绍控温预置电路，智能控温及驱动输出电路及反馈检测电路的设计。

　　1.1 控温预置电路设计

　　控温预置电路的主要器件是一个接收16位串行数字量的DA转换器， 具有VCC， GND， 门控，时钟，数字量输入，基准电压参考REF，转换电压输出Vout等引脚。DA转换器的供电和基准电压由PWM控制芯片提供。DA转换器的时钟频率最大为25MHz，输入的时钟信号一般选择10MHz到15MHz之间。DA转换器接收外部设备提供的门控使能信号，时钟信号和16位串行数字信号。数字信号采用串行数据输入，有利于减小温控器的体积。

　　门控信号下降沿使能DA转换器，在门控有效期内，时钟上升沿时刻，16位数字量DATA被依次读入内部缓冲区，当16个时钟信号结束，门控信号由低电平变为高电平，16位数字量进行DA转换，输出电压模拟量

　　其中REF的取值范围在2V至5V之间，理论上细分精度可以达到0.1mV。Vout表示了温控器的目标温度值。DA转换器的使能信号、时钟信号和数据的时序图如图2所示。

　　1.2 智能控温电路及驱动输出电路设计

　　控温电路由PWM控制芯片和MOSFET组成。PWM控制芯片的工作电压为8V～35V，由外部输入提供。PWM控制芯片能够输出脉宽调试信号(PWM)，选用电压型控制芯片。温控器通过改变PWM信号的占空比，从而控制MOSFET的通断时间，MOSFET导通时给被控对象加热，断开时停止加热。加热控制所需能量E=W×T，温控器改变对被控对象加热的时间T达到改变被控对象温度的目的。从而达到控制温度的目的。控温电路及驱动输出电路的原理图如图4所示。

　　PWM控制芯片通过内部的振荡器产生一个锯齿波电压作为载波信号，参考电压和反馈电压通过内部误差放大器比较并输出误差电压，此误差电压作为调制信号，载波信号和调制信号叠加用于确定脉宽调制波的占空比。反馈电压越高，输出脉宽的占空比越小，反之越大。参考电压是DA转换器的输出Vout，即温度设定的电压值。反馈电压是温度采样信号，通过附着在被控对象表面的热敏电阻阻值变换得到电压值，经过滤波后作为反馈电压输入。输出的PWM控制脉冲频率可由下式计算：

　　PWM控制芯片的晶振工作频率范围是100Hz到350KHz。其中CT的取值范围是0.001uF至0.1uF，RT的取值范围是2KΩ至150KΩ，RD的取值范围是0Ω至500Ω。

　　PWM控制芯片的工作电压输入范围是8V至35V，内部产生一个5.1V的基准源，通过引脚16输出，作为AD5541的输出参考电压REF。

　　芯片的第9脚是补偿引脚，对地外接电容C4，可以抑制开关频率附近的增益，以消除脉宽周期的不对称现象。第1脚和第9脚之间并连加入36K电阻和0.01uF的电容与第1脚对采样信号之间的3.6K的电阻形成比例积分网络。这个比例积分网络对反馈信号进行10倍反向放大，为内部的PWM比较器提供一个控制信号，同时积分作用可以消除稳态误差，达到更好的控温精度。

　　输出驱动电路主要由MOSFET和PWM控制芯片的脉冲输出电路构成，当PWM控制芯片输出调制脉宽高电平时，MOSFET导通，对被控对象加热，输出调制脉宽低电平时，MOSFET关断，停止对被控对象加热。PWM控制芯片可以输出两路相位差为180°的调制脉冲，通过二极管将两路脉冲信号组成或逻辑后驱动MOSFET，理论上占空比的调节范围可以达到百分之百。

　　1.3 反馈检测电路设计

　　影响控温精度的关键指标是测温技术的精度。一般采用的AD转换技术的精度为2n，其中n为AD的转换位数，转换位数n越大，精度越高。只有当n趋近于无穷大时，精度趋近于0，无限接近模拟量。那么直接采用模拟量测温可以避免因为AD位数限制带来的误差。模拟量测温的误差因素受到以下几方面的影响。

　　1.3.1 热敏电阻的选取

　　热敏电阻是测温环节的关键器件，但是热敏电阻的阻值随温度的变化呈现非线性态，增大了温度信号测量和处理的复杂度。由于热敏电阻阻值非线性变化不可避免，为了提高温控器的控温范围，应尽量选择阻值变化范围广，变化率大的热敏电阻，以某型号热敏电阻阻值随温度变化为例。如表1所示。

　　1.3.2 测温补偿网络的设计

　　为了弥补空间相机周围热环境对测温信号的影响需要增加测温补偿网络。该网络应完成对测温信号的非线性补偿或者校正，对测温信号的滤波，同时与控温回路形成反馈网络，达到测温控温稳定的闭环系统。本文采用了π型滤波网络设计，具有储能滤波的作用。可以消除由于温度缓变和电压值速变带来的误差。如图4所示。

　　1.3.3 为热敏电阻提供稳定的基准电压

　　采集的温度变化通过电阻值转换为电压值进行采样。基准电压是否稳定直接影响测温精度及准确性。微小型温控器中由PWM控制芯片提供基准电压5.1V，变化幅度小于1%，能够为热敏电阻提供稳定的基准电压。

　　2 控温试验

　　2.1 微小型智能控制器功能试验

　　进行温控器功能试验验证的系统连接图如图5所示，包括参数设置输出电路、调试电源、模拟源组成。其中电源用于提供温控模块的工作电压28V，模拟源模拟采样信号提供0-5V连续变化的电压值。

　　参数设置输出电路提供的门控，时钟和数据信号通过设置端口对温控模块进行温度设定。给AD5541写入数字量0xAAAA，根据公式1可以算出设定电压值为3.4V，根据电阻分压关系和热敏电阻阻值对应温度值可以反推出设定温度值为20℃，用示波器观察控温电路输出波形。当采样信号远远小于3.4V时，控温电路单路输出占空比σ接近50%的脉冲。PWM控制芯片能够同时输出相位为180°互补的两路脉冲，两路同时工作可以得到占空比接近100%的脉冲。图5中红色曲线为设定温度值，黄色曲线为采样温度值，蓝色曲线为控温电路输出脉冲。

　　当采样信号大于3.3V，并且继续增大时，控温电路输出脉冲占空比连续降低。当采样信号大于3.4V时，控温电路停止输出脉冲。

　　通过上述实验可以看出，已经实现了调节脉冲宽度的功能，将微小型控温器与被控设备连接即可实现控温功能。

　　2.2 工程样机及试验

　　工程样机电路如图7所示。盒体尺寸为34mm×30mm×13mm，内嵌电路板，总重量为33g。引出的红色导线连接电源正端;黑色导线连接电压负端;绿色和粉色导线连接热敏电阻两端;蓝色和黄色连接加热片两端。

　　对模拟负载在实验室中进行加热。初始温度为室温26℃，设定温度为30℃。根据热敏电阻阻值随时间的变化记录实时温度，大约15分钟后，模拟负载温度基本稳定，热敏电阻反馈模拟负载的温度在29.91℃～29.93℃范围内变化，实验结果表明模拟负载达到了目标设定温度，微小型智能温控器实现了自主控温功能，精度可达±0.1℃。

　　3 结论和展望

　　微小型智能温控器实现了无需软件干预，自行实现闭环控温的技术。控温效果精度高，产品体积小。电路设计方面使用PWM脉宽控制芯片替代了传统比较器控制电路，并且没有软件干预，系统更为智能简便。产品经过试验验证表明该技术可广泛应用于分布式高精度温控系统。

　　不过微小型智能温控器存在以下不足。

　　(1)微小型温控器适用于温度较低，需要对被控对象加热的环境。如果工作环境温度较高，需要降温时，只能依靠被控对象自身进行冷却。

　　(2)该产品尚未参加过飞行试验，在空间应用的效果有待考验。

　　作者：李坤 李孝庆 石志成 来源：电子技术与软件工程 2016年8期