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) 的設置點能夠對溫度或者激光進行調節的有效方法。比例積分項協同工作，精確地伺服TEC的電流，以維持控制器的溫度設置點。與此同時，微分項對完成上述工作的速率進行調節，從而優化總體系統響應。如果可以對總體系統響應H (s) 進行描述，則為其設計 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 環路設計的一種有效工具，獲取溫度環路的熱響應非常重要，目的是獲得 PCB?TEC? 激光二極管? 溫度傳感器接線的實際熱敏電阻、電容和傳輸函數。記住，由于實際熱特性會出現高達50%的變化，因此最好是向實際系統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“外環路、內環路”程序來確定G (s) 模塊中控制放大器的總體環路響應和穩定性。在所有情況下，都會使用一個非常大的電感來中斷外環路和內環路，并通過一個大電容器和 AC 電源激勵環路。

步驟 2：中斷G(s)和H(s)之間的外環路

外環路定義為圍繞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路，獲得H（s）、G（s）和總環路增益，以驗證熱環路穩定性。這種情況下，圖 2 顯示相位降至零度以下，而環路增益變為 0 dB，其表明整個環路不穩定。因此，改變 G（s）應加強 PID 控制，并增加溫度環路的穩定性。

圖 1 仿真電路獲得環路增益和相位

圖 2 圖 1 的環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 設定；R3 設置比例增益；C2 和 R6 設置積分電路角頻。

圖 3 補償G (s) 的仿真電路

步驟3：中斷G（s）“內環路”，確定本地放大器穩定性

構建完整 PID 組件的最后一步是中斷內環路，檢查本地放大器 (OPA2314) 的穩定性，從而確保其穩定性與總環路增益無關。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），以維持本地環路的穩定運行。

圖 4 經過補償的本地G (s) 環路的最終電路

下次，我們將討論一種 20W 放大器毀掉 100W 揚聲器的糟糕設計，敬請期待。

參考文獻

• 《運算放大器穩定性，第2部分（共15部分）：運算放大器網絡，SPICE分析》，作者：Green, Timothy，發表于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，發表于2005年“電力電子專家大會” PESC '05. IEEE 36th。
• 《包括熱效應在內的熱電元件SPICE模型》，作者Chavez, J.A., Salazar, J, Ortega, J.A.和Garcia, M.J.，發表于2000年“儀器測試與測量技術大會”第17屆IEEE會議記錄。