CN104062990B - 一种基于半导体制冷机理的降噪温控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体制冷机理的降噪温控系统，包括散热系统、制冷系统和温度控制系统；所述的散热系统采用热管散热片，所述的制冷系统包括电路芯片、半导体制冷器和温度传感器，所述的温度控制系统包括驱动电路、D/A转换、单片机以及温度显示。该降噪温控系统基于帕尔贴效应的原理设计，可以为电路芯片创造所需的低温工作环境，降低与温度有关的多项噪声，有效提高系统信噪比、扩展系统动态范围。该设备结构简单、成本低廉，具有无制冷剂、环保性好、无运动部件、振动和噪声低等优点。
Description
技术领域
本发明属于电力电子温控应用技术领域，尤其涉及一种基于半导体制冷机理的降噪温控系统。
背景技术
半导体制冷也叫温差电制冷或热电制冷，它是在帕尔贴效应基础上建立起来的一种人工制冷技术。与常规的机械制冷相比，它具有诸多优点，例如无制冷剂，环保性好；无运动部件，振动和噪声低；在小功率制冷时，制冷系数较高；冷热转换方便；制冷速度快，反映敏捷，可快速实现大温差；调节性能好；易于微型化等。因此，半导体制冷开辟了制冷技术的新领域，扩大了制冷技术的应用范围，在一些特殊的场合，有着其它制冷方式无法替代的作用。
对于一些特殊芯片或者系统，其工作环境有着特殊低温要求，例如CMCCD在工作过程需要处理片上噪声和片外噪声，其中片上噪声是指产生在CCD芯片上的噪声，包括暗电流、光子散粒噪声、时钟感生电荷、固定图形噪声、胖零噪声、转移噪声、复位噪声和残像等。片外噪声则包括前置放大噪声、ADC量化噪声、时钟波动噪声、电磁干扰、以及串扰等。CCD片上噪声也可以分为随机噪声和固定图案噪声。固定图案噪声容易用数字图像处理的方法去除。EMCCD在对信号增强的同时也放大了暗电流噪声，于是对于EMCCD来说控制CCD芯片的暗电流噪声水平对整个系统的探测灵敏度、信噪比及动态范围有至关重要的意义，而降低暗电流噪声最有效的手段是对芯片进行制冷。资料显示在室温附近，温度每降低10℃，由温度引起的CCD的暗电流噪声可以降低一个数量级，但是低温对探头的真空密封性及制冷设备提出要求，如果温度过低还会出现水汽凝结，从而严重损害芯片。
因此对于此类芯片和系统，设计合理的降噪温控系统至关重要，可以降低与温度有关的多项噪声，有效提高系统信噪比、扩展系统动态范围。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种基于半导体制冷机理的降噪温控系统，本发明基于帕尔贴效应的原理设计，可以为电路芯片创造所需的低温工作环境，降低与温度有关的多项噪声，有效提高系统信噪比、扩展系统动态范围。该设备结构简单、成本低廉，具有无制冷剂、环保性好、无运动部件、振动和噪声低等优点。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种基于半导体制冷机理的降噪温控系统，其特征在于，包括散热系统、制冷系统和温度控制系统；所述的散热系统采用热管散热片，所述的制冷系统包括电路芯片、半导体制冷器和温度传感器，所述的温度控制系统包括驱动电路、D/A转换、单片机以及温度显示；所述的热管散热片与半导体制冷器相连，所述的驱动电路接在半导体制冷器与D/A转换模块之间；所述的单片机同时与温度传感器、D/A转换和温度显示模块相连；
还包括由铝合金材料制成的密封腔，所述密封腔为倒凹型密封腔体，所述倒凹型腔体的顶端设置了由石英材料制成的光学玻璃窗，所述倒凹型腔体的底部设置有正方形散热底座；所述密封腔内部设置有EMCCD芯片、电路板、半导体制冷器、温度传感器和两组双排插针：
所述EMCCD芯片安装在所述电路板上，所述EMCDD芯片位于密封腔内部靠近光学玻璃窗口的位置且与所述光学玻璃窗保持水平；所述电路板在EMCCD芯片的背面采用镂空结构；所述半导体制冷器的冷端使用导热硅胶通过所述镂空结构直接连接所述EMCCD芯片的背面，所述半导体制冷器的热端直接连接所述正方形散热底座；所述温度传感器直接贴在EMCCD芯片的背面，所述EMCCD芯片的背面、电路板的镂空结构以及半导体制冷器冷端构成倒凹型的制冷腔；
所述两组双排插针设置在正方形散热底座的四周且贯穿所述密封腔，所述插针与密封腔之间使用环氧树脂进行密封，所述EMCCD芯片、半导体制冷器和温度传感器的电源线、信号线、控制线通过所述插针引出腔体；
进一步的，所述的温度控制系统包括键盘、LCD显示、串口输出、驱动电路、温控电路；所述的单片机使用的是飞思卡儿XD512型微处理器，所述的单片机通过驱动电路和温控电路与半导体制冷芯片相连；
进一步的，所述的驱动电路由NPN型三极管(Q1)、P沟道增强型MOS管芯片(U1)、100uH电感(L1)，肖特基二极管(D1)组成；所述的三极管(Q1)的基极通过1K欧姆电阻(R3)与PWM信号相连，三极管(Q1)的基极通过2K欧姆电阻(R4)与三极管(Q1)的集电极、地相连；所述的MOS管芯片(U1)的漏极(5、6、7、8端口)并联之后与肖特基二极管(D1)的负极相连，MOS管芯片(U1)的源极(1、2、3端口)并联之后与电源(VDD)相连；所述的电源(VDD)通过470欧姆电阻(R1)与MOS管芯片(U1)的栅极(4端口)相连；所述的肖特基二极管(D1)的正极同时与470uF电容(C1)的负极、104uF电容(C2)的负极以及地相连；所述的100uH电感(L1)接在二极管(D1)的负极与470uF电容(C1)的正极、104uF电容(C2)的正极相连；所述的驱动电路输出端口与半导体制冷器(TEC)相连；
进一步的，所述NPN型三极管(Q1)的型号为MMBT3904；所述的P沟道增强型MOS管(U1)的型号为TPC8103。
本发明的有益效果是：
帕尔贴效应的微观机理起源于载流子在构成回路的两种导体中的势能差异。当载流子从一种导体通过接头处进入到另一种导体时，需要在接头附近与晶格(热振动)发生能量交换，以达到新的平衡，因而在接头处产生了一端吸热，一端放热的现象。半导体制冷是基于帕尔贴效应的原理建立起来的，同时在制冷过程中还伴随着焦耳热效应、傅立叶效应和汤姆逊效应。由于汤姆逊效应属于二级效应，在工作电流和制冷温差不大时，其数值相对于其他三种效应十分微小，因此在工程设计分析中经常忽略不计，制冷温差不大时，不考虑半导体材料的物性随温度的变化，所有物性参数均采用电偶臂冷热端平均温度下的计算值。当在电偶臂上通入直流电后，冷端交界面附近在单位是时间内吸收的热量(帕尔贴热)与电流强度I成正比，单独一对热电偶产生的制冷量是很小的，在实际应用中是把若干对热电偶排列成阵，组成半导体制冷热电堆。一级半导体制冷器只能实现大约60K的温差。为了得到更低的制冷温度，往往做成两级或更高级的制冷器。
在热电降噪制冷系统中，半导体制冷器及其附属器件，如散热片、控制器、电源等都是为被降温芯片设置的，目的是为成特定芯片或系统创造所需的低温工作条件，从而提高工作精度。因此，在对半导体制冷系统进行设计时，也必须遵守一般制冷系统设计的原则，必须考虑降温速度、负载能力、绝热方式、制冷片空间设置形式等；其次，需尽可能的提高制冷系统效率，以达到节能的要求。
由于特定芯片或系统需要工作在一个恒定的温度下，故必须对系统器件进行温度控制。温度控制系统以单片机为核心器件，以半导体制冷片为执行器件，运用增量式PID控制算法实现温度快速、稳定、精确控制。控制系统包括温度采样与处理、温度显示、温度设置(可存储)、驱动电源等部分。硬件设计主要包括温控电路设计、TEC驱动电路设计、单片机的系统扩展及通道与接口设计等。传统的温度检测以模拟式温度传感器热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，如A/D转换电路等，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量度的准确度低，检测系统的精度差。而以DS18B20为代表的数字式温度传感器克服了传统测温元件的缺点，集测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，与单片机接口电路结构简单，广泛使用于距离远、节点分布多的场合，具有较强的推广应用价值。
该降噪温控系统基于帕尔贴效应的原理设计，可以为电路芯片创造所需的低温工作环境，降低与温度有关的多项噪声，有效提高系统信噪比、扩展系统动态范围。该设备结构简单、成本低廉，具有无制冷剂、环保性好、无运动部件、振动和噪声低等优点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。
图1是该降噪温控系统的整体框图；
图2是该降噪温控系统的温控系统结构图；
图3是该降噪温控系统的半导体制冷片驱动电路；
图4是一种针对CCD芯片的降温密封腔设计实例。
具体实施方式
如图1是该降噪温控系统的整体框图，该降噪温控系统包括散热系统、制冷系统和温度控制系统；所述的散热系统采用热管散热片，所述的制冷系统包括电路芯片、半导体制冷器和温度传感器，所述的包温度控制系统括驱动电路、D/A转换、单片机以及温度显示；所述的热管散热片与半导体制冷器相连，所述的驱动电路接在半导体制冷器与D/A转换模块之间；所述的单片机同时与温度传感器、D/A转换和温度显示模块相连；所述电路芯片的PCB板中部为镂空结构，所述半导体制冷器的冷端通过导热硅胶直接粘合在所述电路芯片的背面，所述温度传感器直接贴在电路芯片背面，所述电路芯片、半导体制冷器以及温度传感器共同位于一个封闭腔内。其中，半导体制冷片的工作电源为直流电源，并且为保证半导体制冷片正常工作，必须要求输入的电源电压纹波系数小于10％。半导体制冷片可根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的(电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果)。为了使半导体制冷片能够自动的进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路。考虑到实际工作时，半导体制冷片功率较大，必须保证电源能够提供足够的电流，可采用开关电源。开关电源是利用现代电子技术，控制开关管通和断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。降压型DC/DC变换器主电路(BUCK电路)是一种输出电压小于输入电压的单管非隔离型直流变换器，是属于开关电源中一种典型的电路，开关管一般都采用PWM控制方式。
为了使特定芯片和系统工作在一个恒定的温度下，必须对成像器件进行温度控制。温度控制系统以单片机为核心器件，以半导体制冷片为执行器件，运用增量式PID控制算法实现温度快速、稳定、精确控制。图2是该降噪温控系统的温控系统结构图，系统包括键盘、LCD显示、串口输出、驱动电路、温控电路；所述的单片机使用的是飞思卡儿XD512型微处理器，所述的单片机通过驱动电路和温控电路与半导体制冷芯片相连。
图3是该降噪温控系统的半导体制冷片驱动电路，该驱动电路由NPN型三极管(Q1)、P沟道增强型MOS管芯片(U1)、100uH电感(L1)，肖特基二极管(D1)组成；所述的三极管(Q1)的基极通过1K欧姆电阻(R3)与PWM信号相连，三极管(Q1)的基极通过2K欧姆电阻(R4)与三极管(Q1)的集电极相连；所述的MOS管芯片(U1)的5、6、7、8端口并联之后与二极管(D1)的负极相连，MOS管芯片(U1)的1、2、3并联之后与电源(VDD)相连；所述的电源(VDD)通过470欧姆电阻(R1)与MOS管芯片(U1)的端口4相连；所述的肖特基二极管(D1)的正极同时与470uF电容(C1)的负极、104uF电容(C2)的负极以及地相连；所述的100uH电感(L1)接在二极管(D1)的负极与470uF电容(C1)的负极、104uF电容(C2)的正极相连；所述的输出端口与半导体制冷器(TEC)相连，所述NPN型三极管(Q1)的型号为MMBT3904；所述的P沟道增强型MOS管(U1)的型号为TPC8103。
该驱动电路中，输入电压VDD为+12V，控制信号PWM信号由单片机输出，PWM的高电平为+5V，低电平为0。PWM控制三级管MMBT3904的通断。当PWM为高电平时，三极管导通，MOS管TPC8103的栅极电压大于其门限电压，MOS管导通，此时，电感储存能量，电容充电；当PWM为低电平时，三极管截止，MOS管栅极电压小于其门限电压，MOS管截止，此时，电感放能，电容放电，从而使电路输出电压稳定。通过改变PWM信号的占空比，可以将电路输出电压控制在0～+12V之间。为保证输出电压的纹波小于10％，采用LC滤波电路进行滤波，使得电压纹波达到要求。
图4是一种针对CCD芯片的降温密封腔设计实例，用以阐述本发明的具体实施方法。对于EMCCD来说控制CCD芯片的暗电流噪声水平对整个系统的探测灵敏度、信噪比及动态范围有至关重要的意义，而降低暗电流噪声最有效的手段是对芯片进行制冷。制冷CCD摄像机主要由CCD芯片、半导体制冷片、控制电路、数据处理电路以及电源等部分组成，是集光电成像技术、热电制冷技术、恒温控制技术、信号处理及控制技术为一体的高科技产品。对其结构进行设计时，必须保其结构合理、工作可靠。为了保持清洁、恒温的工作环境，将其放入一个密封腔内。制冷器要对CCD进行制冷，所以制冷器必须和成像芯片一同放入密封腔内。由于CCD芯片和制冷片均为方形结构，故将密封腔体设计成带有正方形底座的倒凹型腔体，密封腔内主要包括EMCCD芯片、半导体制冷片、温度传感器以及两组双排插针。密封腔由铝合金材料制成，在顶端的窗口按圈下安装了由石英材料制成的光学玻璃窗，通过光学窗口，图像可以成像到CCD感光面，保证了成像器件光路的畅通。CCD传感器安装在腔体内部贴近窗口的位置，玻璃窗与成像芯片保持水平。制冷片热端置于腔体底座上，通过底座将热量传递给散热系统。CCD、制冷片及温度传感器的电源线、信号线、控制线等通过插针引出腔体，插针与腔体之间用环氧树脂进行密封。采用背帖式连接方式，将装有CCD芯片的PCB板中部镂空后，把半导体制冷片的冷端用导热硅胶直接粘合在CCD的背面，中间省去了导冷块，有助于提高制冷效率；热端置于腔体底座上，通过底座将热量传递给散热系统。温度传感器紧贴在CCD芯片背面，可实时检测芯片温度，
除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。例如，可以将飞思卡儿XD512型微处理器换为其它类型的微处理器，如英飞凌高性能微处理器XC2238N型MCU。
虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明作出种种改动和变动。
Claims (4)
1.一种基于半导体制冷机理的降噪温控系统，其特征在于，包括散热系统、制冷系统和温度控制系统；所述的散热系统采用热管散热片，所述的制冷系统包括电路芯片、半导体制冷器和温度传感器，所述的温度控制系统包括驱动电路、D/A转换、单片机以及温度显示；所述的热管散热片与半导体制冷器相连，所述的驱动电路接在半导体制冷器与D/A转换模块之间；所述的单片机同时与温度传感器、D/A转换和温度显示模块相连；
还包括由铝合金材料制成的密封腔，所述密封腔为倒凹型密封腔体，所述倒凹型腔体的顶端设置了由石英材料制成的光学玻璃窗，所述倒凹型腔体的底部设置有正方形散热底座；所述密封腔内部设置有EMCCD芯片、电路板、半导体制冷器、温度传感器和两组双排插针：
所述EMCCD芯片安装在所述电路板上，所述EMCDD芯片位于密封腔内部靠近光学玻璃窗口的位置且与所述光学玻璃窗保持水平；所述电路板在EMCCD芯片的背面采用镂空结构；所述半导体制冷器的冷端使用导热硅胶通过所述镂空结构直接连接所述EMCCD芯片的背面，所述半导体制冷器的热端直接连接所述正方形散热底座；所述温度传感器直接贴在EMCCD芯片的背面，所述EMCCD芯片的背面、电路板的镂空结构以及半导体制冷器冷端构成倒凹型的制冷腔；
所述两组双排插针设置在正方形散热底座的四周且贯穿所述密封腔，所述插针与密封腔之间使用环氧树脂进行密封，所述EMCCD芯片、半导体制冷器和温度传感器的电源线、信号线、控制线通过所述插针引出腔体。
2.如权利要求1所述的一种基于半导体制冷机理的降噪温控系统，其特征在于，所述的温度控制系统包括键盘、LCD显示、串口输出、驱动电路、温控电路；所述的单片机为飞思卡儿XD512型微处理器，所述的单片机通过驱动电路和温控电路与半导体制冷芯片相连。
3.如权利要求1所述的一种基于半导体制冷机理的降噪温控系统，其特征在于，所述的驱动电路由NPN型三极管(Q1)、P沟道增强型MOS管芯片(U1)、100uH电感(L1)，肖特基二极管(D1)组成；所述的三极管(Q1)的基极通过1K欧姆电阻(R3)与PWM信号相连，三极管(Q1)的基极通过2K欧姆电阻(R4)与三极管(Q1)的集电极、地相连；所述的MOS管芯片(U1)的漏极(5、6、7、8端口)并联之后与肖特基二极管(D1)的负极相连，MOS管芯片(U1)的源极(1、2、3端口)并联之后与电源(VDD)相连；所述的电源(VDD)通过470欧姆电阻(R1)与MOS管芯片(U1)的栅极(4端口)相连；所述的肖特基二极管(D1)的正极同时与470uF电容(C1)的负极、104uF电容(C2)的负极以及地相连；所述的100uH电感(L1)接在二极管(D1)的负极与470uF电容(C1)的正极、104uF电容(C2)的正极相连；所述的驱动电路输出端口与半导体制冷器(TEC)相连。
4.如权利要求3所述的一种基于半导体制冷机理的降噪温控系统，其特征在于，所述NPN型三极管(Q1)的型号为MMBT3904；所述的P沟道增强型MOS管(U1)的型号为TPC8103。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20201201 Address after: 330000 south of 5th floor, building 15, No. 346, xiaolanzhong Avenue, Xiaolan economic and Technological Development Zone, Nanchang County, Nanchang City, Jiangxi Province Patentee after: Jiangxi Zhonglan Electronic Manufacturing Co.,Ltd. Address before: 330096, Jiangxi, Nanchang hi tech Zone, innovation, road, Chang Ruifeng, room 717 Patentee before: Xu Yunpeng |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xu Yunpeng Inventor after: Wu Dan Inventor before: Xu Yunpeng |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220812 Address after: Room 1405, Building 1, No. 58, Development Road, High-tech Development Zone, Nanchang City, Jiangxi Province, 330096 Patentee after: Wu Dan Address before: 330000 south of 5th floor, building 15, No. 346, xiaolanzhong Avenue, Xiaolan economic and Technological Development Zone, Nanchang County, Nanchang City, Jiangxi Province Patentee before: Jiangxi Zhonglan Electronic Manufacturing Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |