利用 SPICE 設(shè)計(jì) TEC 溫度環(huán)路 PID 控制
關(guān)鍵詞:運(yùn)算放大器、溫度傳感器、SPICE、PID、TEC、EDFA、TMP20、OPA569、OPA2314、德州儀器、TI
使用模擬比例積分微分 (PID) 控制器的溫度控制是一種非常簡單的電路,是確保熱電冷卻器 (TEC) 的設(shè)置點(diǎn)能夠?qū)囟然蛘呒す膺M(jìn)行調(diào)節(jié)的有效方法。比例積分項(xiàng)協(xié)同工作,精確地伺服TEC的電流,以維持控制器的溫度設(shè)置點(diǎn)。與此同時(shí),微分項(xiàng)對完成上述工作的速率進(jìn)行調(diào)節(jié),從而優(yōu)化總體系統(tǒng)響應(yīng)。如果可以對總體系統(tǒng)響應(yīng)H (s) 進(jìn)行描述,則為其設(shè)計(jì) PID 控制器G (s) 的最為方便和有效的方法是利用 SPICE 進(jìn)行仿真。
步驟1:確定SPICE模型的TEC/Temp傳感器熱阻抗。
要想把 SPICE 作為 PID 環(huán)路設(shè)計(jì)的一種有效工具,獲取溫度環(huán)路的熱響應(yīng)非常重要,目的是獲得 PCBàTECà 激光二極管à 溫度傳感器接線的實(shí)際熱敏電阻、電容和傳輸函數(shù)。記住,由于實(shí)際熱特性會出現(xiàn)高達(dá)50%的變化,因此最好是向?qū)嶋H系統(tǒng)注入一個(gè)熱步進(jìn)輸入,并對其進(jìn)行測量,以獲得最佳的 SPICE 仿真熱模型。
如果對熱連接線進(jìn)行描述,請使用“外環(huán)路、內(nèi)環(huán)路”程序來確定G (s) 模塊中控制放大器的總體環(huán)路響應(yīng)和穩(wěn)定性。在所有情況下,都會使用一個(gè)非常大的電感來中斷外環(huán)路和內(nèi)環(huán)路,并通過一個(gè)大電容器和 AC 電源激勵環(huán)路。
步驟 2:中斷G(s)和H(s)之間的外環(huán)路
外環(huán)路定義為圍繞G(s)和H(s)模塊的一條通路。使用圖 1 進(jìn)行模擬的目標(biāo)是中斷外環(huán)路,獲得H(s)、G(s)和總環(huán)路增益,以驗(yàn)證熱環(huán)路穩(wěn)定性。這種情況下,圖 2 顯示相位降至零度以下,而環(huán)路增益變?yōu)?0 dB,其表明整個(gè)環(huán)路不穩(wěn)定。因此,改變 G(s)應(yīng)加強(qiáng) PID 控制,并增加溫度環(huán)路的穩(wěn)定性。
圖 1 仿真電路獲得環(huán)路增益和相位
圖 2 圖 1 的環(huán)路增益和相位曲線圖
圖 3 中改進(jìn)型G (s) 模塊包括 PID 組件。微分電路的角頻由 R7 和 C3 設(shè)定;R3 設(shè)置比例增益;C2 和 R6 設(shè)置積分電路角頻。
圖 3 補(bǔ)償G (s) 的仿真電路
步驟3:中斷G(s)“內(nèi)環(huán)路”,確定本地放大器穩(wěn)定性
構(gòu)建完整 PID 組件的最后一步是中斷內(nèi)環(huán)路,檢查本地放大器 (OPA2314) 的穩(wěn)定性,從而確保其穩(wěn)定性與總環(huán)路增益無關(guān)。在這種情況下,放大器要求使用一個(gè)50 pF電容器(請參見圖 4),以維持本地環(huán)路的穩(wěn)定運(yùn)行。
圖 4 經(jīng)過補(bǔ)償?shù)谋镜谿 (s) 環(huán)路的最終電路