基于半導(dǎo)體制冷的星載CCD測試用低溫環(huán)境裝置設(shè)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(xué) 理學(xué)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(zhuǎn)換效率等性能也會受到極大影響，為保證CCD器件的優(yōu)良性能，一般使其工作在較低的溫度范圍內(nèi)。航天器用星載CCD器件在使用前必須開展相關(guān)質(zhì)量保證工作，其中低溫環(huán)境下的光電性能測試至關(guān)重要。目前，一般使用制冷劑汽化制冷實現(xiàn)星載CCD器件低溫性能測試的低溫環(huán)境模擬，其優(yōu)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(dǎo)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(yōu)勢[1]，被廣泛應(yīng)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(dǎo)體制冷器進行水冷，采用新型水冷雙循環(huán)結(jié)構(gòu)散熱，結(jié)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(diào)制（PWM）技術(shù)控制半導(dǎo)體制冷器的制冷能力，實現(xiàn)對測試環(huán)境低溫控制的裝置。該裝置較制冷劑制冷設(shè)備運行噪聲更低、控溫精度更高、制冷速度更快，更適合光學(xué)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(nèi)，在低溫箱壁上設(shè)計通光孔即可打通明場測試光路，實現(xiàn)宇航用星載CCD質(zhì)量保證所要求的低溫下明、暗場的全參數(shù)測試。

1 星載CCD測試用低溫環(huán)境控制技術(shù)簡述

目前的星載CCD工作環(huán)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(shè)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(chǎn)生的蒸氣經(jīng)壓縮機壓縮后向外界轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)一般由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器等組成。其中壓縮機是制冷循環(huán)的動力，能夠及時抽出蒸發(fā)器內(nèi)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(chuàng)造將制冷劑蒸氣的熱量向外界環(huán)境介質(zhì)轉(zhuǎn)移的條件。此類制冷系統(tǒng)對于CCD等精密光學(xué)成像器件的測試而言，存在諸多缺點：首先，壓縮機運行產(chǎn)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(dǎo)致系統(tǒng)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(xiàn)低溫環(huán)境下的暗場參數(shù)測試；另外，對箱體進行整體溫控的方式，只能確保箱體內(nèi)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(huán)境或某個位置進行控溫，控溫精度較低。

2 雙循環(huán)水冷半導(dǎo)體制冷方案

本文設(shè)計的CCD低溫測試裝置主要由上位機、CCD數(shù)據(jù)采集電路和環(huán)境控制系統(tǒng)3部分組成（如圖1所示）。其中，上位機在整套裝置中起主導(dǎo)作用，負責向CCD數(shù)據(jù)采集電路發(fā)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(shù)據(jù)處理和計算；CCD數(shù)據(jù)采集電路根據(jù)上位機下發(fā)的命令產(chǎn)生驅(qū)動時序來驅(qū)動CCD正常工作，并讀取CCD數(shù)據(jù)傳送至上位機；環(huán)境控制系統(tǒng)主要負責環(huán)境溫度的控制，為CCD數(shù)據(jù)采集電路提供穩(wěn)定的測試環(huán)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(huán)境控制系統(tǒng)采用水冷雙循環(huán)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體制冷方案，使用半導(dǎo)體制冷片，采用外循環(huán)帶動內(nèi)循環(huán)進行散熱的新型雙級水冷串聯(lián)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)被測器件的局部低溫。這種水冷雙循環(huán)半導(dǎo)體制冷結(jié)構(gòu)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(yīng)各種被測光學(xué)成像器件不同的低溫測試要求。

2.1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)

熱電制冷器（TEC）又稱半導(dǎo)體制冷片（圖2），是利用碲化鉍化合物固溶體制作的半導(dǎo)體器件，其基本結(jié)構(gòu)由P型半導(dǎo)體、金屬連接片和N型半導(dǎo)體組成，三者通過一定順序連接構(gòu)成一組熱電偶[2]，一系列熱電偶之間經(jīng)過串聯(lián)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(dǎo)體制冷片結(jié)構(gòu)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(dǎo)體、金屬片2、P型半導(dǎo)體、金屬片3、電源正極的路徑轉(zhuǎn)移。在電子轉(zhuǎn)移的過程中，由于半導(dǎo)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(dǎo)體時需要吸收熱量；當電子由N型半導(dǎo)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(dǎo)體時需要釋放熱量；當電子由P型半導(dǎo)體進入金屬片3時需要吸收熱量。經(jīng)過以上過程，電子會在熱電制冷器的一側(cè)吸收熱量，另一側(cè)釋放熱量，形成熱電制冷器的冷端和熱端[3-4]。

2.2 雙循環(huán)水冷結(jié)構(gòu)

目前主要有3種半導(dǎo)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(yōu)異，但管狀結(jié)構(gòu)不易與發(fā)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(huán)水冷結(jié)構(gòu)在水冷散熱方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種兩級半導(dǎo)體制冷水冷系統(tǒng)（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(huán)水冷散熱系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of the low-temperature water cooling system

兩級水冷循環(huán)系統(tǒng)包含外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)2部分。水冷外循環(huán)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(nèi)循環(huán)由冷頭（3個）、雜質(zhì)過濾器、水箱、水泵和管道組成。水冷外循環(huán)2個冷頭和水冷內(nèi)循環(huán)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(huán)的冷頭之上，冷端貼合于水冷內(nèi)循環(huán)的冷頭之上。水冷內(nèi)循環(huán)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(dǎo)冷塊之上，熱電制冷器和冷頭及導(dǎo)冷塊之間均勻填涂導(dǎo)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(nèi)循環(huán)水，內(nèi)循環(huán)水的溫度升高，循環(huán)水在水泵的驅(qū)使下流經(jīng)冷頭2和3，熱電制冷器2和3將水冷內(nèi)循環(huán)中循環(huán)水的熱量帶入到水冷外循環(huán)中，水冷內(nèi)循環(huán)中的循環(huán)水溫度降低，通過依次循環(huán)使水冷內(nèi)循環(huán)中的循環(huán)水溫度保持相對穩(wěn)定，熱電制冷器1冷端的溫度持續(xù)降低；內(nèi)循環(huán)中的熱量被熱電制冷器2和3帶入到水冷外循環(huán)后經(jīng)冷頭4和5將熱量傳遞給循環(huán)水，循環(huán)水在水泵的驅(qū)使下流經(jīng)冷排，在冷排和散熱扇的作用下，循環(huán)水的溫度下降，然后再次流經(jīng)冷頭4和5將熱量帶出。經(jīng)測試，通過兩級水冷循環(huán)，導(dǎo)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(tǒng)設(shè)計

溫度控制系統(tǒng)共設(shè)置6個溫度傳感器，其中1個安裝于被測器件的導(dǎo)冷塊上，可隨時監(jiān)測器件管殼周圍的環(huán)境溫度；其余5個分布于水冷內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的各個部位，既可實現(xiàn)針對器件周圍局部環(huán)境的精確控溫，又可實現(xiàn)從器件至整個低溫箱體的逐級環(huán)境溫度控制?？刂葡到y(tǒng)的硬件電路分為溫度數(shù)據(jù)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(xiàn)互通。

3.1 溫度數(shù)據(jù)采集電路

圖4 溫度數(shù)據(jù)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(guān)電源為熱電制冷器提供電源驅(qū)動，即通過中央微處理器使用PWM方式調(diào)節(jié)開關(guān)電源輸出電壓的大小實現(xiàn)對熱電制冷器制冷能力的控制。開關(guān)電源PWM信號電壓調(diào)節(jié)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(gòu)成二階RC濾波網(wǎng)絡(luò)，將微處理器的WPM信號轉(zhuǎn)化成與其占空比對應(yīng)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(guān)電源4.9 V基準電壓的輸入端，第2引腳為開關(guān)電源的控制信號輸出端，此直流電壓信號能夠控制開關(guān)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(fā)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(jié)構(gòu)簡單，接收端與CAN控制器相連，發(fā)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(shù)據(jù)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(diào)節(jié)算法

4.1 傳統(tǒng) 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(jīng)典控制算法，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制[5-6]，算法系統(tǒng)如圖8所示。

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

傳統(tǒng)的PID控制算法在運行中會出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，這是因為系統(tǒng)自身存在一定的缺陷，會產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)困難的偏差。隨著時間的增加，PID控制算法中PID調(diào)節(jié)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(xiàn)飽和現(xiàn)象；但偏差依舊存在，PID調(diào)節(jié)器的積分部分仍然在增大，當PID控制算法出現(xiàn)反向偏差時，由于積分部分較大，被控對象無法在短時間內(nèi)退出飽和區(qū)，就會出現(xiàn)較大的時延，而退出飽和區(qū)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(xiàn)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(tǒng)的線性PID控制，則穩(wěn)態(tài)誤差不小于±3℃，且調(diào)節(jié)時間需30 min以上，不能滿足CCD低溫環(huán)境測試的要求。

4.2 改進型 PID 控制算法

經(jīng)過多年的發(fā)展，多種改進型PID控制算法及與智能算法相結(jié)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(yīng)PID控制算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)積分飽和現(xiàn)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(xiàn)超調(diào)，即低溫箱內(nèi)導(dǎo)冷塊的溫度低于設(shè)定溫度，只能通過低溫箱內(nèi)部相對較高的環(huán)境溫度使導(dǎo)冷塊溫度回升，而這一過程不受控，且耗時較長，可能導(dǎo)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(diào)節(jié)器積分項進行限定，如果誤差信號進入某誤差帶，則相應(yīng)減小積分常數(shù)；如果出現(xiàn)超調(diào)，則進一步限制控制量，此時引入衰減系數(shù)可使積分項快速衰減，達到目標量快速退出飽和區(qū)的目的；如果沒有超調(diào)，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(fā)揮其制冷性能，快速到達設(shè)定制冷溫度，降低實驗裝置的最低制冷溫度，本文將設(shè)定的制冷溫度劃分為-30～-15℃、-15～0℃、0～5℃3 個區(qū)間，3 片熱電制冷器在每個區(qū)間內(nèi)的工作狀態(tài)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(qū)間的溫度?？刂屏鞒虨椋号袛嗄繕藴囟仁欠裨O(shè)置在相應(yīng)溫度區(qū)間，之后基于改進型PID控制算法控制相應(yīng)熱電制冷器進行制冷，過程中通過溫度傳感器對導(dǎo)冷塊以及水冷內(nèi)循環(huán)溫度進行監(jiān)測，達到目標溫度時停止制冷，否則控制相應(yīng)制冷器繼續(xù)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(tǒng)、供電電源和制冷裝置分離設(shè)置，其中散熱裝置、控制系統(tǒng)和電源安裝在控制機柜內(nèi)，制冷裝置裝配于低溫箱內(nèi)，參見圖11。控制機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(nèi)硬件電路采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到操作柜內(nèi)硬件電路，并將操作柜內(nèi)硬件電路發(fā)送的各種指令傳輸?shù)降蜏叵鋬?nèi)硬件電路；電源電纜將操作柜內(nèi)各種電壓等級的電源輸送到低溫箱內(nèi)，為低溫箱內(nèi)各種用電設(shè)備提供工作電能；水冷水管聯(lián)通外循環(huán)水冷系統(tǒng)，將內(nèi)循環(huán)水冷系統(tǒng)的熱量散發(fā)出來。由圖11(c)所示的低溫箱實物可見，低溫箱壁上設(shè)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(xiàn)低溫下CCD的明場參數(shù)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(nèi)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(nèi)循環(huán)的水溫降低，從而將導(dǎo)冷頭的溫度降低到設(shè)定的溫度值。制冷溫度在0～-15℃范圍內(nèi)的控制策略為：3片熱電制冷器同時工作，將導(dǎo)冷頭的溫度降低到設(shè)定的溫度值。制冷溫度在-15～-30℃范圍內(nèi)的控制策略為：外部2片熱電制冷器先開始工作，將水冷內(nèi)循環(huán)的水溫降低到一定的溫度，然后導(dǎo)冷頭處的熱電制冷器再開始工作，將導(dǎo)冷頭的溫度降低到設(shè)定的溫度值。

不同目標溫度下導(dǎo)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(wěn)定度，分別在導(dǎo)冷塊溫度達到0℃、-15℃、-30℃后，在10 min的時間內(nèi)每隔10 s記錄1次溫度數(shù)據(jù)，然后繪制導(dǎo)冷塊溫度波動曲線如圖13～圖15所示?？梢钥闯觯瑢?dǎo)冷塊溫度的最大波動為±0.49℃。這一結(jié)果較線性PID控制器下的穩(wěn)態(tài)誤差±3℃而言明顯降低，且溫度控制的動態(tài)響應(yīng)時間由30 min以上壓縮至20 min以內(nèi)，明顯縮短了實驗時間。

圖12 不同目標溫度下導(dǎo)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(dǎo)冷塊溫度波動曲線Fig.13 Temperature fluctuation of copper block at 0℃

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

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

6 結(jié)束語

文章設(shè)計了一種低溫環(huán)境實驗裝置，基于雙循環(huán)水冷半導(dǎo)體制冷方式與抗積分飽和PID控制算法進行溫度調(diào)節(jié)，并利用溫度傳感器進行溫度信息反饋，以及脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)控制半導(dǎo)體制冷器的制冷能力，實現(xiàn)了從器件局部至整個實驗環(huán)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(yōu)點，能夠成功實現(xiàn)最低-30℃的制冷，連續(xù)監(jiān)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(nèi)，在低溫箱壁上設(shè)置通光孔即可實現(xiàn)低溫下的CCD明場測試。

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