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)置點能夠?qū)囟然蛘呒す膺M行調(diào)節(jié)的有效方法。比例積分項協(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。與此同時，微分項對完成上述工作的速率進行調(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) 進行描述，則為其設(shè)計PID 控制器G (s) 的最為方便和有效的方法是利用SPICE 進行仿真。
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際熱敏電阻、電容和傳輸函數(shù)。記住，由于實際熱特性會出現(xiàn)高達50%的變化，因此最好是向?qū)嶋H系統(tǒng)注入一個熱步進輸入，并對其進行測量，以獲得最佳的SPICE 仿真熱模型。
如果對熱連接線進行描述，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，都會使用一個非常大的電感來中斷外環(huán)路和內(nèi)環(huán)路，并通過一個大電容器和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進行模擬的目標是中斷外環(huán)路，獲得H（s）、G（s）和總環(huán)路增益，以驗證熱環(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)? dB，其表明整個環(huán)路不穩(wěn)定。因此，改變G（s）應(yīng)加強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50 pF電容器（請參見圖4），以維持本地環(huán)路的穩(wěn)定運行。
圖4 經(jīng)過補償?shù)谋镜?/strong>G (s) 環(huán)路的最終電路
下次，我們將討論一種20W 放大器毀掉100W 揚聲器的糟糕設(shè)計，敬請期待。
參考文獻
· 《運算放大器穩(wěn)定性，第2部分（共15部分）：運算放大器網(wǎng)絡(luò)，SPICE分析》，作者：Green, Timothy，發(fā)表于2006年《En-Genius》（原《模擬地帶》）。
· 《熱電冷卻器的PSPICE 兼容等效電路》，作者：Simon Lenvkin, Sam Ben-Yaakov，發(fā)表于2005年“電力電子專家大會”PESC '05. IEEE 36th。
· 《包括熱效應(yīng)在內(nèi)的熱電元件SPICE模型》，作者Chavez, J.A., Salazar, J, Ortega, J.A.和Garcia, M.J.，發(fā)表于2000年“儀器測試與測量技術(shù)大會”第17屆IEEE會議記錄。