利用SPICE设计TEC温度环路PID控制

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 36^th。

· 《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。