CN100472383C

CN100472383C - Tec热电制冷器控制电路

Info

Publication number: CN100472383C
Application number: CNB2005101208703A
Authority: CN
Inventors: 何红档
Original assignee: Shenzhen Neo Photonic Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Apat Optoelectronics Components Co., Ltd.
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: CN1983100A

Abstract

本发明提供一种TEC热电制冷器控制电路，包括一温度采集器、一参数设置器、一频率比较器、一频率生成器、一开关驱动器、一电荷泵和一电流换向器，所述温度采集器用于将TEC的温度信号转化成频率信号输出；参数设置器，用于设置TEC工作模式、温控点数据和极限点数据并输出；频率比较器输出一电流换向器的换向控制信号和温度误差信号；频率生成器由温度误差信号和具有工作模式和极限点数据的输出信号生成不同频率的开关信号；开关驱动器用于增强开关信号的频率驱动能力驱动电荷泵；电荷泵为电流换向器提供不同的输入电压V₀；电流换向器作用于TEC。该TEC热电制冷器控制电路采用数字式控制，具有运行模式选择功能的，具有温控精度高。

Description

TEC热电制冷器控制电路

技术领域

本发明涉及一种TEC热电制冷器，尤其涉及一种TEC热电制冷器控制电路。

背景技术

TEC(Thermoelectric cooler)热电制冷器又称半导体制冷器，当直流通过两种不同的导电材料回路时，结点上将产生吸热或放热现象，称为珀尔贴效应。TEC热电制冷器即是利用了珀尔贴效应以实现制冷或制热，它具有制冷、制热速度快，无噪声，无污染，制冷、制热控制灵活方便、体积小、重量轻等特点，因而得到了广泛应用。一种典型的TEC单级热电制冷器，由二片分别是P型和N型的半导体材料构成，当一正向电流作用于N型半导体时，电子从P型半导体移到N型半导体，因此热量被吸收，温控面的温度降低，热量通过热沉向周围散发，热能的迁移量与TEC供电电流成正比。改变电流方向从热沉输入，则将热量从热沉转移到温控面，从而使温控面的温度升高。在小体积的温控领域如激光二极管、红外焦平面器件和IC等，TEC是优先选择的温控制冷器件。

目前，常用的TEC热电制冷器控制电路如图1A所示，包括两个PWM降压变换器，开关S₁、S₂、滤波电感L₁、二极管D₁、电容C₂构成第一PWM降压变换器，其输出直流电压为V₁；开关S₃、S₄、滤波电感L₂、二极管D₂、电容C₃构成第二PWM降压变换器，其输出直流电压为V₂。其中，开关S₁、S₂、S₃和S₄四个开关的波形图如图1B所示，“0”表示断开，“1”表示接通，即第一PWM降压变换器的开关S₁与第二PWM降压变换器的开关S₄同相(即同时导通或同时关断)；而第一PWM降压变换器的开关S₂与第二PWM降压变换器的开关S₃也是同相；第一PWM降压变换器的两开关S₁与S₂反相、第二PWM降压变换器的两开关S₃与S₄反相(即一个导通时另一个截止)。TEC并联一电容C1，两端分别接第一和第二PWM降压变换器，其中，第一、第二PWM降压变换器的输出直流电压V₁、V₂分别作用于TEC的热沉面和温控面上，提供给TEC的电流：Itec＝(V₁-V₂)/Rtec，Rtec表示TEC热沉面与温控面间的阻抗(TEC二电极间的阻抗)，由此式决定TEC电流的大小及方向。设定当V₁>V₂则温控面降温，而V₁<V₂则温控面升温。热敏电阻紧贴在温控面上，将温度信号转换成模拟电压，通过外接运算放大器对误差信号(与设定温度所对应的电压之差)进行积分后控制TEC两端的PWM降压变换器的占空比，从而改变直流电压V₁和V₂的值，达到控制TEC电流大小及方向的目的。这种控制电路典型应用于MAXIM公司的MAX8520和LINEAR TECHNOLOGY公司的LTC1923芯片中。这种TEC的控制电路存在以下缺点：

1、EMI较大由于需要两个滤波电感L₁和L₂，会对周围产生电磁干扰；在开关的转换过程中，滤波电感二端的电压或回路阻抗发生突变导致振荡或产生尖锐的脉冲。

2、应用相对复杂

温度信号的反馈控制及参数设置均采用模拟电路，加大了应用的成本及复杂性，导致TEC工作参数的设置不灵活。

3、无运行模式选择功能

在双PWM降压变换器驱动模式下，由于采用模拟控制方式，实施模式切换会较复杂。

4、温控精度不高

由于采用模拟控制方式，实际应用中外接的用于误差积分的运算放大器或芯片内部运算部件固有的输入失调电压、输出失调电压、参考电压的温度漂移、甚至还有数/模转换器DAC的量化误差都是限制温控精度的因素。

发明内容

为克服以上缺点，本发明提供了一种具有运行模式选择功能的TEC热电制冷器控制电路，采用数字式控制，具有温控精度高，应用简单的特点。

为实现以上发明目的，本发明技术方案如下：一种TEC热电制冷器控制电路，包括一温度采集器、一参数设置器、一频率比较器、一频率生成器、一开关驱动器、一电荷泵和一电流换向器，所述温度采集器用于将TEC的温度信号转化成频率信号输出；参数设置器，用于设置TEC工作模式、温控点数据和极限点数据，包括第一输出信号和第二输出信号，其中第一输出信号包括模式和温度极限点数据，第二输出信号为温控点数据；频率比较器，将所述温度采集器的频率信号与第二输出信号进行比较，输出一电流换向器的换向控制信号和控制频率生成的温度误差信号；频率生成器由温度误差信号和第一输出信号生成不同频率的开关信号；开关驱动器用于增强开关信号的频率驱动能力驱动电荷泵；电荷泵为电流换向器提供不同的输入电压V₀；电流换向器由换向控制信号和输入电压V₀改变TEC热量转移的大小和方向。

所述电荷泵，包括开关a与开关b，开关a的第一端接输入电压V_CC，第二端与开关b的第一端串联，其串接点接电容到参考地电平，开关b的第二端接电容到参考地电平，其接点电压为Vo，该电压为电流换向器的输入电压。

所述电荷泵，包括四个开关a、b、c、d，以及两电容，其中，开关a第一端接电源电压Vcc，第二端与开关b的第一端串联，其串接点为e；开关c第一端接地，第二端与开关d的第一端串联，其串接点为f，串接点e和f接电容，而开关b与开关d的第二端接电容，开关b的第二端电压为Vo，开关d的第二端接电流换向器的参考地电平。

所述电流换向器，包括四开关K1、K2、K3、K4构成，开关K1和K3的第一端接电荷泵的输出端，其接点电压为V₀，开关K1的第二端与开关K2的第一端串联，其串接点接入TEC的热沉面，且电压为V₁；开关K3的第二端与开关K4的第一端串联，其串接点接入TEC的温控面，且电压为V₂；开关K2与开关K4的第二端接入Vo的参考地电平。

所述温度采集器，包括由电容Ct、热敏电阻Rt和比较器构成的振荡器，其中，比较器的同相输入端接三个电阻R1、R2和R3，R1接地，R2接电源Vcc，R3接比较器输出端；比较器的反相输入端接电容Ct到参考地电平，热敏电阻Rt位于反相端与输出端之间。

所述温度采集器，包括热敏电阻Rt和一压控振荡器，热敏电阻Rt与电阻串联对恒定电压Vref分压，此分压接压控振荡器305的控制电压输入端，从而产生随温度变化的频率信号。

所述参数设置器包括一存储器和一数字接口电路，所述存储器存储TEC工作模式数据、温控点数据和极限点数据。

所述频率比较器包括一定时脉冲生成器、一计数器、一锁存器和一数字比较器，由定时脉冲生成器产生的脉冲信号和频率信号同时输入至计数器计数产生二进制数值信号，该信号经锁存器锁存后，与输出信号的温控点数据一起经数字比较器进行比较，产生一温度误差信号和一比较进位信号。

所述频率生成器包括一译码器、一数字选择器和一分频器，温度误差信号经译码器变换后，输入数据选择器，其输出作为自动重装分频器的初始计数值。

上述TEC热电制冷器的控制电路中，由于采用了电荷泵和电流换向器，电荷泵可以改变电流换向器的输入电压的大小；而电流换向器直接作用于热电制冷器，用于改变TEC热电制冷器的能量的传输方向。由于整个控制电路中没有采用电感，因而可以使EMI下降；温度信号由模拟信号改为数字式频率信号，温度反馈控制简洁；由于参数设置及工作模式的选择均通过数字接口进行，比传统方式节省更多的外围器件；又由于没有模拟运算部件导致的电压失调、温度漂移及数模转换器DAC量化误差的影响，原理上温度控制的精度可得到提高。

附图说明

图1A表示传统的TEC热电制冷器控制电路原理图；

图1B表示图1A所示控制电路中各开关波形示意图；

图2表示本发明TEC热电制冷器控制电路方框原理图；

图3A表示图2所示温度采集器的一种电路原理图；

图3B表示图2所示温度采集器的另一种电路原理图；

图4A表示图2所示电荷泵的一种电路原理图；

图4B表示图2所示电荷泵的另一种电路原理图；

图5表示图2所示电流换向器的电路原理图；

如图2所示的TEC热电制冷器控制电路，包括：TEC热电制冷器900、温度采集器300、频率比较器400、频率生成器500、参数设置器600、开关驱动器700、电荷泵100和电流换向器200。其中，TEC热电制冷器900包括一热沉面901和温控面902；频率比较器400包括一定时脉冲生成器401、计数器402、锁存器403和数字比较器404。频率生成器500包括一译码器501、一数据选择器502、一分频器503。频率比较器400包括一定时脉冲生成器401、一计数器402、一锁存器403和一数字比较器404；参数设置器600包括一存储器601和一数字接口电路602；频率生成器500包括一译码器501、一数字选择器502和一分频器503。

参数设置器600，它由存储器601与数字接口602构成，存储器601存储了三类数据：

一类是期望温控点的频率数据data₃，它对应于设置的TEC温度控制点对应的频率值，此对应关系如下：data₃＝τ*fset，τ是定时脉冲生成器401生成的周期性脉冲信号高电平(或低电平)时间宽度，在此时间宽度内计数器402对温度采集器300的频率为fset的输出信号301计数。

第二类是“极限点”的频率数据data₄，对应于TEC最高工作电压或电流的频率值。

第三类是模式数据data₁和data₂，依TEC特性，可以设置TEC三种工作模式如下：

a)经济制冷模式：TEC通电产生Peltier效应制冷的同时，也产生焦耳热，因此有一个最经济的工作电流使Peltirer制冷效率最高，模式数据为data₁。

b)快速制冷模式：TEC工作于制冷量最大的电流，模式数据为data₂。

c)常规模式：由温控面902的温度反馈信号经频率比较器400、频率生成器500处理后动态控制电荷泵100的开关频率，控制热能转移大小，进而使温度保持稳定。

参数设置器600有第一输出信号602和第二输出信号603，第一输出信号602包括经济制冷模式数据data₁、快速制冷模式数据data₂、“极限点”数据data₄均输入至频率生成器500的数据选择器502；第二输出信号603包括温控点的频率数据data₃输入至频率比较器400的数字比较器404。

温度采集器300用于将TEC温度信号变成频率信号301输出，该信号传送至频率比较器400中的计数器402，在定时脉冲生成器401的控制下，经计数器402计数，再经锁存器403锁存后与来自参数设置器600的第二输出信号603的温控点频率数据data3在数字比较器404中进行比较，数字比较器404有二个比较单元：一个是迟滞比较器，为达成控制回路的稳定，它使实际温度高于或低于设定温度确定的一个小量后才产生比较一输出信号，该信号为电流换向器200的电流换向控制信号405；另一个是无迟滞的比较器，输出的是温度误差信号406，是两输入数据差值的绝对值。假设锁存器403输出数据大于温控点频率数据data3一个设定小量时，产生比较进位输出，使电流换向信号405反相，进而控制电流换向器200电流反向，TEC的热量转移到热沉面901，TEC温控面902降温；如锁存器403输出数据小于温控点频率数据data3一个设定小量时，上述过程相反，TEC温控面902升温。温度误差信号406输入至频率生成器500的译码器501，该译码器是一个数字积分器，它将温度误差信号406积分后通过数据选择器502作为分频器503的分频初值之一。数据选择器502既可以选择译码器501的输出，也可以选择来自参数设置器600的第一输出信号602上的经济制冷模式数据data₁、快速制冷模式数据data₂、“极限点”数据data₄；分频器503的计数初值来源于数据选择器502的锁存输出，频率生成器500可简单地用整数分频来实现，为提高全范围温控精度，也可用锁相环来生成更密集的频率，分频器503对一个时钟fcnt进行加法计数，计数溢出后自动重装计数初值，产生一个分频脉冲开关信号106，其频率为f₁₀₆，经开关驱动器700增强驱动能力后驱动电荷泵100，当分频器503初值小于“极限点”数据data₄，则给分频器503装初值data₄，这样使f₁₀₆不至于超出极限值而使电荷泵100功率过大。

如图3A所示的温度采集器300，包括由电容Ct301、热敏电阻Rt302和比较器303构成的振荡器。比较器303，其同相输入端接三个电阻R1、R2和R3，其中，R1接地，R2接电源Vcc，R3接比较器输出端；其反相输入端接一个电容Ct301到地，反相端与输出端之间接热敏电阻Rt。热敏电阻Rt302作为振荡器的一个参数，其阻值

Rt = Ro * e^{B (\frac{1}{T} - \frac{1}{To})}

…………………式1

式1中B是常数，Ro是温度To时的阻值，Rt是温度T时的阻值，该振荡器输出频率：

f_temp∝1/(Rt*Ct)………………式2

因此由式1与式2可知，f_temp与温度有明确的数学关系，从而使温度采集器300通过振荡器而将温度信号转化成频率信号。这种方式在理论上比传统的模拟控制具有更高温度分辨率，举例说明如下：如果在传统方式下用一个10Bit的数模转换器DAC设置温度点，它只有1024个值，而本结构的温度采集器300在所须控制温度范围内，f_temp的变化可轻松超过100,000Hz，即使在对频率整数计数的情况下，仍可设置100,000个温度点，因此理论上本发明的温度分辩率比传统的模拟控制更高。

如图3B所示的温度采集器300，包括热敏电阻Rt302和一压控振荡器305，热敏电阻Rt302与另一电阻R304串联对恒定电压Vref进行分压，串接点接压控振荡器305的控制电压输入端，从而产生随温度变化的频率信号f-temp。

电荷泵100用于改变电流换向器200的输入电压Vo的大小。如图4A所示的电荷泵100，包括开关a与开关b，开关a的第一端接输入电压Vcc，第二端与开关b的第一端串联，串接点接电容104到参考地电平PGND，开关b的第二端接电容105到地，其接点电压为Vo，该电压为电流换向器200的输入电压，开关驱动器700用于驱动开关a与开关b。电荷泵100的输入电压Vcc与输出电压Vo有相同的参考地电平PGND。当开关a导通，开关b断开时，电压Vcc对电容104充电；当开关a断开，开关b导通时，电容104对电容105放电。如图4B所示的电荷泵100，包括四个开关a、b、c、d，两电容104和105，其中，开关a第一端接电源电压Vcc，第二端与开关b的第一端串联，其串接点为e；开关c第一端接地，第二端与开关d的第一端串联，其串接点为f，串接点e和f接电容104，而开关b与开关d的第二端接电容105，开关b的第二端电压为Vo，该电压为电流换向器200的输入电压，开关d的第二端接电流换向器200的参考地电平PGND。理想情况下，传递给电流换向器200的功率可由式3表示：

……………………式3

其中f₁₀₆是电荷泵100的开关信号106的频率，C₁₀₄是电容104的容量大小，R_tec是TEC工作时二个电极间的阻抗，Vo表示电荷泵100的输出电压。

由此可见改变电荷泵100的开关频率信号f₁₀₆，就可以改变加在TEC上的电压Vo的大小。

如图5所示的电流换向器200，包括四开关K1、K2、K3、K4构成，开关K1和K3的第一端接电荷泵100的输出端，其接点电压为V₀，开关K1的第二端与开关K2的第一端串联，其串接点接入TEC900的热沉面901，且电压为V₁；开关K3的第二端与开关K4的第一端串联，其串接点接入TEC900的温控面902，且电压为V₂；开关K2与开关K4的第二端接入Vo的地电位参考端PGND。设定电流换向器200控制信号405为高时，开关K1、K4导通，开关K2、K3断开，此时V₁＝Vo，V₂＝PGND，温控面902降温；当电流换向器200的控制信号405为低时，开关K1、K4断开，开关K2、K3导通，此时V1＝PGND，V₂＝Vo，流经TEC的电流反向，温控面902升温。这样，通过改变电流换向器200的电流方向，从而可以切换温控面902的制冷与制热操作。

模式数据data₁、data₂及“极限点”数据data₄，其数值大小由下面式4确定：

data＝2^N—f_cnt/f₁₀₆………………………………式4

式4中N是分频器503的二进制计数级数，f_cnt是分频器503的计数时钟，分频器503由一个N阶二进制加法计数器构成，加法进位输出脉冲在频率值上等于f₁₀₆。通过式4，当Vo为TEC最大的工作电压，可以计算出data₄；当Vo为TEC经济制冷的工作电压，可以计算出data₁；当Vo为TEC快速制冷时的工作电压，便可确定与data₂的值。

Claims

1、一种TEC热电制冷器控制电路，其特征在于，包括一温度采集器(300)、一参数设置器(600)、一频率比较器(400)、一频率生成器(500)、一开关驱动器(700)、一电荷泵(100)和一电流换向器(200)，所述温度采集器(300)用于将TEC的温度信号转化成频率信号(301)输出；参数设置器(600)，用于设置TEC工作模式、温控点数据和极限点数据，包括第一输出信号(602)和第二输出信号(603)，其中第一输出信号(602)包括模式和温度极限点数据，第二输出信号(603)为温控点数据；频率比较器(400)，将所述温度采集器(300)的频率信号(301)与第二输出信号(603)进行比较，输出一电流换向器(200)的换向控制信号(405)和控制频率生成的温度误差信号(406)；频率生成器(500)由温度误差信号(406)和第一输出信号(602)生成不同频率的开关信号(106)；开关驱动器(700)用于增强开关信号(106)的频率驱动能力驱动电荷泵(100)；电荷泵(100)为电流换向器(200)提供不同的输入电压V₀；电流换向器(200)由换向控制信号(405)和输入电压V₀改变TEC热量转移的大小和方向。

2、根据权利要求1所述的TEC热电制冷器控制电路，其特征在于，所述电荷泵(100)，包括开关a与开关b，开关a的第一端接输入电压V_CC，第二端与开关b的第一端串联，其串接点接电容(104)到参考地电平(PGND)，开关b的第二端接电容(105)到参考地电平(PGND)，其接点电压为Vo，该电压为电流换向器(200)的输入电压。

3、根据权利要求1所述的TEC热电制冷器控制电路，其特征在于，所述电荷泵(100)，包括四个开关a、b、c、d及两电容(104、105)，其中，开关a第一端接电源电压Vcc，第二端与开关b的第一端串联，其串接点为e；开关c第一端接地，第二端与开关d的第一端串联，其串接点为f，串接点e和f接电容(104)，而开关b与开关d的第二端接电容(105)，开关b的第二端电压为Vo，开关d的第二端接电流换向器(200)的参考地电平(PGND)。

4、根据权利要求2或3所述的TEC热电制冷器控制电路，其特征在于，所述电流换向器(200)，包括四开关K1、K2、K3、K4构成，开关K1和K3的第一端接电荷泵(100)的输出端，其接点电压为V0，开关K1的第二端与开关K2的第一端串联，其串接点接入TEC(900)的热沉面(901)，且电压为V1；开关K3的第二端与开关K4的第一端串联，其串接点接入TEC(900)的温控面(902)，且电压为V2；开关K2与开关K4的第二端接入Vo的参考地电平(PGND)。

5、根据权利要求4所述的TEC热电制冷器控制电路，其特征在于，所述温度采集器(300)，包括由电容Ct(301)、热敏电阻Rt(302)和比较器(303)构成的振荡器，其中，比较器(303)的同相输入端接三个电阻R1、R2和R3，R1接地，R2接电源Vcc，R3接比较器(303)输出端；比较器(303)的反相输入端接电容Ct(301)到参考地电平(PGND)，热敏电阻Rt(302)位于反相端与输出端之间。

6、根据权利要求4所述的TEC热电制冷器控制电路，其特征在于，所述温度采集器(300)，包括热敏电阻Rt(302)和一压控振荡器(305)，热敏电阻Rt(302)与电阻(304)串联对恒定电压Vref分压，此分压接压控振荡器(305)的控制电压输入端，从而产生随温度变化的频率信号(f-temp)。

7、根据权利要求1所述的TEC热电制冷器控制电路，其特征在于，所述参数设置器(600)包括一存储器(601)和一数字接口电路(602)，所述存储器(601)存储TEC工作模式数据、温控点数据和极限点数据。

8、根据权利要求1所述的TEC热电制冷器控制电路，其特征在于，所述频率比较器(400)包括一定时脉冲生成器(401)、一计数器(402)、一锁存器(403)和一数字比较器(404)，由定时脉冲生成器(401)产生的脉冲信号和频率信号(301)同时输入至计数器(402)计数产生二进制数值信号，该信号经锁存器(403)锁存后，与输出信号(603)的温控点数据一起经数字比较器(404)进行比较，产生一温度误差信号(406)和一比较进位信号(405)。

9、根据权利要求1所述的TEC热电制冷器控制电路，其特征在于，所述频率生成器(500)包括一译码器(501)、一数字选择器(502)和一分频器(503)，温度误差信号(406)经译码器(501)变换后，输入数据选择器(502)，其输出作为自动重装分频器(503)的初始计数值。