利用SPICE设计TEC温度环路PID控制

作者：Mathew Hann，德州仪器 (TI) SAR 产品线经理

使用模拟比例积分微分 (PID) 控制器的温度控制是一种非常简单的电路，是确保热电冷却器 (TEC) 的设置点能够对温度或者激光进行调节的有效方法。比例积分项协同工作，精确地伺服TEC的电流，以维持控制器的温度设置点。与此同时，微分项对完成上述工作的速率进行调节，从而优化总体系统响应。如果可以对总体系统响应H (s) 进行描述，则为其设计 PID 控制器G (s) 的最为方便和有效的方法是利用 SPICE 进行仿真。

步骤1：确定SPICE模型的TEC/Temp传感器热阻抗。

要想把 SPICE 作为 PID 环路设计的一种有效工具，获取温度环路的热响应非常重要，目的是获得 PCBàTECà 激光二极管à 温度传感器接线的实际热敏电阻、电容和传输函数。记住，由于实际热特性会出现高达50%的变化，因此最好是向实际系统注入一个热步进输入，并对其进行测量，以获得最佳的 SPICE 仿真热模型。

如果对热连接线进行描述，请使用“外环路、内环路”程序来确定G (s) 模块中控制放大器的总体环路响应和稳定性。在所有情况下，都会使用一个非常大的电感来中断外环路和内环路，并通过一个大电容器和 AC 电源激励环路。

步骤 2：中断G(s)和H(s)之间的外环路

外环路定义为围绕G（s）和H（s）模块的一条通路。使用图 1 进行模拟的目标是中断外环路，获得H（s）、G（s）和总环路增益，以验证热环路稳定性。这种情况下，图 2 显示相位降至零度以下，而环路增益变为 0 dB，其表明整个环路不稳定。因此，改变 G（s）应加强 PID 控制，并增加温度环路的稳定性。



图 1 仿真电路获得环路增益和相位


图 2 图 1 的环路增益和相位曲线图

图 3 中改进型G (s) 模块包括 PID 组件。微分电路的角频由 R7 和 C3 设定；R3 设置比例增益；C2 和 R6 设置积分电路角频。



图 3 补偿G (s) 的仿真电路

步骤3：中断G（s）“内环路”，确定本地放大器稳定性

构建完整 PID 组件的最后一步是中断内环路，检查本地放大器 (OPA2314) 的稳定性，从而确保其稳定性与总环路增益无关。在这种情况下，放大器要求使用一个50 pF电容器（请参见图 4），以维持本地环路的稳定运行。




图 4 经过补偿的本地G (s) 环路的最终电路

下次，我们将讨论一种 20W 放大器毁掉 100W 扬声器的糟糕设计，敬请期待。

参考文献

《运算放大器稳定性，第2部分（共15部分）：运算放大器网络，SPICE分析》，作者：Green, Timothy，发表于2006年《En-Genius》（原《模拟地带》）。
《热电冷却器的 PSPICE 兼容等效电路》，作者：Simon Lenvkin, Sam Ben-Yaakov，发表于2005年“电力电子专家大会” PESC’05. IEEE 36th。
《包括热效应在内的热电元件SPICE模型》，作者Chavez, J.A., Salazar, J, Ortega, J.A.和Garcia, M.J.，发表于2000年“仪器测试与测量技术大会”第17届IEEE会议记录。