摘要：阐述了基于UC3638的PWM双极性电流控制器构成的半导体热电致冷器(TEC)温控系统。对UC3638增强型PWM电机控制IC的特点进行了介绍。给出了由UC3638构成的TEC双极性电流驱动器的设计方法。给出的温控实验结果证明了基于UC3638的控制器是可行的。

关键词：UC3638；半导体热电致冷器；脉宽调制；双极性电流控制

0 引言

半导体热电致冷器(Thermo-E1ectric Cooler，简称TEC)具有体积小、无噪音、无污染等特点。广泛应用于航天、军事、光电、机电、医疗、汽车、通讯等领域。在某类仪器研制过程中，需要对金属块迅速加热制冷和恒温，进行热循环工艺控制，TEC能很好满足这种要求。TEC依靠热交换，从一面吸热另一面放热实现加热制冷。因TEC电功率几乎全部转化为热能QF=UI，仅在TEC吸热面热交换量QJ大于发热量QF／2(假定电功率产生的热量在两面平均分配)时，且当放热面有效散热时，TEC吸热面才能制冷(吸热面吸热量QIN=QJ一QF／2，放热面散热量QOUT=QJ+QF／2)。TEC吸热面或放热面由TEC电流(TEC可看作是一个非线性电阻负载，电流方向随电压方向改变)方向决定。吸热量同时受温差和电流大小的影响；且在同一电压为获得不同温差和吸热量，电流变化很大。因此用TEC加热制冷，控制电流比电压好；由于要调节电流大小和方向，故把它称为双极性电流控制。为实现热循环工艺控制特性，有必要设计TEC驱动控制器。

1 TEC温控驱动方案确定

温控对象形状多样，受热应力影响TEC不能做得过大，所以在很多情况下须用多块TEC。TEC电气连接方式有串联、并联和串并联。并联使用由于布线较为困难，且驱动时导通损耗大，所以根据器件容量及温控对象等因素，我们选用串联和串并联的连接方式。现有TEC模拟控制lC及电路虽在某个温度点控温精度很高，但主要针对小功率应用，工作电压较低，不适合大功率下快速变温，芯片价格较昂贵。而用微控制器全数字控制方式产生PWM，因PWM频率低不利于系统小型化。UC3638是TI公司的增强型电机控制IC，可构成高性能直流电机PWM驱动电路。它具有差分电流放大器，与误差放大器配合可构成平均电流反馈，所以，还可用于单极性或双极性可调电流的场合。采用直流稳压电源，经UC3638驱动全桥可获得双极性电流，构成TEC驱动简单易行(当然也可设计OV起调直流稳流电源，再经固态继电器构成全桥改变电流方向，但设计更复杂，不利于在研制初期快速构建系统，以对整个仪器做出评估)。适当增加运放，UC3638即可构成具有直接电流给定和温度给定(再经模拟PID生成电流给定信号)两种控制方式，且不需微控制器干预。TEC温控系统结构如图1所示。由PC机送出温度点并控制时间，再由89C52完成温度的实时监控和温度上传及数字控制(可选温度给定或直接电流给定)，经D／A转换，再通过模拟PID或直接送到模拟隔离放大器；最后由UC3638构成的双极性电流控制器起内环电流调节的作用，驱动TEC，对温控对象进行加热制冷。对象的温度由温度传感器检测，经信号调理放大，一方面送至模拟PID温度调节，另外经A／D转换成数字量，供89C52完成数字温度控制。

2 UC3638芯片介绍

UC3638增强型直流电机PWM控制器，适用于各类直流电机PWM驱动控制，还可用来设计需要单向或双向电流驱动的功率放大器，其内部结构如图2所示。它包含有模拟信号误差放大器和PWM调制器；根据误差放大输入信号的极性和大小，PWM调制器输出两路不同极性和宽度的脉冲串。因此，它可用于双向调速系统和其他需要单极性或双极性可调电压或电流的场合。由于改进了电路设计和提高了集成度，UC3638减少了许多外围电路元件。它还有以下特点：电路速度有了显著提高，内部有可编程高频三角波发生器，高转换速率误差放大器，高速PWM比较器，PWM开关频率可达500kHz。增加的5倍固定增益差分电流放大器和误差放大器配合，可构成平均电流反馈控制电路以提高系统响应速度(电流型控制)。两路60V／50mA集电极开路输出以驱动全桥上管，两路500mA图腾柱输出可驱动全桥下管。可编程引脚AREFIN允许单电源或双电源工作。振荡器斜波幅度和PWM死区经5V分压，由设置引脚PVSET(振荡器斜波幅度设置)和DB(PWM死区设置)设定。另外还包括精确的5V参考电压输出，欠压锁定，双向逐周峰值电流保护，遥控关断引脚(可兼做软启动)。

3 双极性电流控制器的原理和设计

如图3所示，由隔离放大器的电流控制信号Vc经R1．，同来自外加的差动电流放大器A1B的电流反馈信号经R3相加，经UC3638内部的误差放大器进行电流PT凋节(R2，C1，C2构成补偿网络)，再经内部PWM比较器等形成PW