温控模块故障技术说明
2020年6月16日
1、 用户测试
① 用户在系统测试中发现温控模块异常。开机上电后温度为28.2 ℃，下发温度上调指令至42.8 ℃，此时温度基本不变；下发波长下调指令至13.2 ℃，此时温度仍然基本不变；
2、 我方测试
① 我方接到故障温控模块后后
第1次测试：采用12V 10A开关
电源模块（型号：LRS-120-10，明纬）供电，上电开机，温度工作点为23.5℃；发送温度上调指令至68℃，温度从23.5℃改变为33℃，随后
保持不动，出现异常；
② 由于开关电源模块无法记录电源参数，采用台式线型电源（型号：DP832， 普源）进行第2次上电测试，温控模块恢复功能，可以正常工作；
③ 第3次测试更换回原来的开关电源模块，重新上电测试，温控模块工作正常没有发现问题；
④ 后续的反复测试（上下电的反复开关机测试200次）均未发现异常；
3、 原因分析
种子源波长调谐部分的主体框架如图1所示
图1温控模块的主体框架图
3.1. 供电方面
① 发生故障时，电源指示灯正常，说明主电源12V供电无问题，并且转成5 V工作正常，以及后续变压3.3 V（MCU）、4.096 V（DAC参考）、2.048 V（MCU参考）、4.2 V（运放供电）正常；
② 由于4.2 V（运放供电）是5 V经4.8 V二次转变产生的，故而4.8 V（温控控制部分供电）工作正常；
③ 温控芯片采用4.8 V（温控控制部分供电）和5 V（温控功率部分供电）双供电模式；
① 发生故障时，可以正常发送开机指令和查询指令，且上报数据准确，说明通信芯片发送和接收工作正常；
② 波长调谐指令发送后，波长发生小幅度移动，表明通信芯片已成功发送该指令给MCU；
③ 温度改变指令在通信芯片的电平转换中发生异常，导致送给MCU的指令发生偏差，逻辑成立；（可能原因1，可能性低）
file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempmsohtmlclip1\01clip_image004.jpg
图2 通信芯片部分硬件原理图
3.3. MCU方面
① 开机上电，其他模块正常输出，与上位机的数据交互正常，表明MCU供电正常；
② 开机上电，MCU从EEPROM调取温度设置4项参数（温度和热敏电阻的转换系数），若其中1项或多项出现问题，导致温度偏差，逻辑成立；（可能原因2，可能性低）
③ MCU接收到正确温度改变指令，但计算过程发生异常，导致送给DAC的数据出现异常，出现温度无法有效调节，逻辑成立；（可能原因3，可能性中）
file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempmsohtmlclip1\01clip_image006.jpg
图3 MCU部分硬件原理图
3.4. DAC方面
① DAC供电4.2V不足，但DAC电压越小，对应设置温度越高，逻辑相反，排除；
② 供电超过4.2V，满足芯片工作，设置电压理论不变，逻辑不成立；并且多个运放正常工作，其共用的供电4.2 V可以判定正常；
③ 参考电平4.096V异常，若变小，导致设置电压也变小，设置温度变高，逻辑相反；若变大，导致设置电压也变大，设置温度变低，逻辑成立；
（反证：根据计算，若要发生该情况，则参考电平按照等比例关系需要变为4.096*0.37/0.117=12.95V，这一电压已超过电源电压，难以成立）
温度33℃对应的DAC电压为0.37V，68℃对应的DAC电压为0.117V；
④ DAC在将MCU送过来的指令进行数字-模拟转换时，发生异常，导致DAC输出电压偏大，设置温度变低，逻辑成立；（可能原因4，可能性中）
file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempmsohtmlclip1\01clip_image008.jpg
图4 DAC部分硬件原理图
3.5. 温控芯片方面
① 温控芯片供电，若其中功率电平5V，电流2A不足，导致温度无法大范围改变，逻辑成立；（可能原因5，可能性中）
② 若控制电平4.8V不足，导致温控芯片内部MOS管控制开启状态不够，从而使得TEC无法有效工作，逻辑成立；
（反证：4.2 V工作正常，4.2 V是由4.8 V产生，4.8 V可以判定正常）
③ 若R117偏置匹配电阻虚焊，导致阻值变大，从而基准电流Is变小，控制平衡公式U=Is*Rt，则需要更大热敏电阻阻值Rt，对应温度则变小，逻辑成立；
（反证：用户测试过程中，设置温度和上报温度均接近对应31.3℃，则表明温控系统的平衡基准依然保持）
④ 若热敏电阻的温度-阻值关系发生变化，导致温度无法有效上升，逻辑成立；
（反证：同上）
⑤ 温控芯片内部比较电路异常，提前达到平衡状态，温度无法有效上升，逻辑成立；（可能原因6，可能性中） file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempmsohtmlclip1\01clip_image010.jpg
图5 温控部分硬件原理图
3.6. TEC方面
① TEC工作能力异常，只具备小幅度加热制冷能力，温度无法大范围改变，逻辑成立；（可能原因7，可能性中）
3.7. 热敏电阻方面
① 热敏电阻阻值和温度关系出现异常
反证：用户测试过程中，设置温度和上报温度均接近31.3℃，则表明温控系统的平衡基准依然保持
图片显示不清晰，请查阅附件，谢谢！
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