热电制冷摄像机配套电源的研究

现代成像器件具有集成度高、功耗小、成本低的优点,可以使摄像机的结构简化、成本降低,典型的代表是CCD和GMOS成像器件。它们都是半导体器件,不足的是其成像品质受温度、开机时间的影响。采用热电制冷为其降温是克服成像器件温度噪声的有效途径。

目前,采用热电制冷的CCD摄像机技术在国外已经相当成熟,市场上已有应的该项技术的系列化商品。但是,就热电制冷摄像机的研究国仙尚无成功报道,这是此类进口商品价格居高不下的主要原因。因此,研制热电制冷摄像机是业内亟等解决的问题,为此必须解决配套电源的技术问题。

1 配套电源技术必须考虑的问题

电源是摄像梵工作的基本条件,包括成像器件的工作电源和热电制冷器电源部分。两部分具有各自的特点,前者要精度高、稳定性好;后者则较为特殊,从热电制冷的需要看,应该具有以下的特点：

（1）品质高,脉动系数小。因为热电制冷器的制冷性能与供电直流电源的品质有关,已以的研究表明：当直流电源的电压脉动系数小于15％时,其消耗的功率、制冷系数基本上没有变化,而且脉动系数小有利于制冷器稳定工作。

（2）与制冷器相互匹配。由于希望成像器件工作在－40℃－60℃的温度范围内,而单级制冷器是无法实现的,所以摄像机内热电制冷器是多级联结的。由于各级制冷器的供电电源在功率容量、电压大小方面都有较大差异,困此,不同的热电制冷器应单独设置与之匹配的供电电源,不应简单地串联或并联。

（3）功率容量可控。在制冷降温过程中,不仅要求能降低温度,更重要的是保持低温恒定,而且还希望降温速度快。对电源来说,则希望所能够在开机是提供热电制冷器能够承受的极限电压和电流,随着温度的下降以及与设定值的接近,电源的电压或电流逐渐减少,甚至为零。

（4）符合热电制冷工作的特点。热电制冷吕器是半导体器件,低电压、大电流是热电流冷器正常工作的突出特征,供电电源也要具有这一特性。

除此 之外,电源作为摄像机的配套设备,还应该满足体积小、效率高、操作方便等要求,应该具有电源工作状态、摄像机内部温度可视化的功能,这样不仅便用掌握成像品质随温度变化的规律性,掌握不同的热负荷的降温规律,还有益于了解控制器的性能及其工作状态,避免实验的盲目性。

根据热电制冷摄像机对电源的特殊要求,配套电源的设计应重点解决两方面的问题：

（1）电源方案的选择：目前的串型稳压电源和开关型稳压电源都可以满足热电制冷器对电源品质的要求,但串联型稳压电源的体积大、效率低、温升高,而高频开关电源则可以克服上述不足,使摄像机系统的体积和重量降低。因此,在热电制冷器的电源设计中,选择高频开关型电源结构。

（2）减小电源体积和重量;现从电源的结构设计和电路设计两个方面采取小型化措施。在结构上,把不必要的调节电压固定下来,对低功耗的电极直接采用电阻分压供电,将制冷器和控制器的小功率电源合并制板;在电路设计中,选用新型集成电路,进一步减小电路板的体积,从而使摄像机配套电源箱仅为200mm×130mm×120mm。

2 配套电源设计

2.1 控制器电源设计

（3）图1是根据上述思想设计的控制器电源电路,其核心是美国POWER INTERATIONS公司专门为设计开关电源而产持的四端记线式开关控制集成电路－TNY255P。TNY255P是Tinystch系列的一种,在器件的内部集成有晶振及波形发生器、检测的一种,在器件的内部集成有晶振及波形发生器、检测和逻辑电路、5.8V稳压器、欠压电路、热滞式过热保护控制电路、限流电路、前沿消隐电路和一个Vds≥700V的功率MOSFET开关及驱动电路,使天关电源结构最简、元件数目最少,因此是开关电源进一步小型化的重大突破。

图中,以脉冲变压器为界,衩级回路前为一次整流滤电路,次级绕组后为二次整流滤波电路,电阻R2、电容C9和二极管1N4937组成限幅钳位电路,R3－R6和C10、C11组成缓冲保护电路,电阻R9－R12、C16、光偶4N35及基准TL431构成取样、比较放大电路,产生与输出电压高低变一样致的开／关控制信号,对TNT255P内部的功率器件进行开关控制保护,从而实现对输出电压的调节。当TNY255P内部的功率器件导通时,变压器储存能量（0.5LI2）;当功率器件开关断时,储存的能量经磁耦合传递到次级绕组,经二次整流滤波,得到直流输出。

2.2 制冷的供电系统

本文采用TOP2×系列构成热电制冷器各级的供电电源,其应用电路文献[3]、[4]中已有介绍。TopSwitch三端离线式脉宽调制开关集成电路也是美国POWER INTEFRATIONS公司生产的功率集成电路,是对TinySwitch的改进和发展,其内集成有高压功率MOSFET器件及其驱动电路、PWM控制器的电源的各种保护电路,是功能齐全的