CN108227784A - 一种电子学器件温度闭环控制系统及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子学器件温度闭环控制系统及其安装方法，包括：温度检测电路用于检测电子学器件的实际温度，微控制器输入端与温度检测电路相连，输出端与IGBT驱动电路相连，用于通过温度检测电路确定电子学器件的实际温度，并提供相应占空比的驱动信号驱动IGBT驱动电路；IGBT驱动电路与Buck电路相连，IGBT驱动电路用于对Buck电路的输出电压进行调制，Buck电路经调制后的输出电压的幅值与IGBT驱动电路驱动信号的占空比成正比；Buck电路用于通过经调制后的输出电压控制半导体制冷器制冷，调节电子学器件的温度至设定温度值，半导体制冷器的冷面与电子学器件紧密接触。本发明实现温度的闭环控制，电路结构较为简单、硬件成本低以及系统工作灵活。

Description

一种电子学器件温度闭环控制系统及其安装方法

技术领域

本发明电子学器件领域，更具体地，涉及一种电子学器件温度闭环控制系统及其安装方法。

背景技术

目前，很多电子学器件都采用半导体，对温度比较敏感，温度不同会使得器件的响应有很大的差别。电子学器件温度闭环控制系统主要功能是对一些对温度较为敏感的电子元器件进行温度控制，提高电子元器件工作性能的稳定性。

传统的电子学器件温度控制主要有风冷、水冷、电冷的方法，其中风冷对于温度的控制精度不够高，只能实现对温度一定范围的控制，且对于某些信号质量要求比较高的场合，直流风扇由于变化电场的存在可能引入电磁干扰。水冷的方式由于不直接和电子元器件接触，制冷效率比较低，并且可能会因为水管老化的问题导致水管漏水致使电子元器件永久性损坏。电冷对于电子学器件的散热是一种比较理想的方法，但以往的设计中要么制造一个密闭环境，通过对这个密闭空间进行降温，最终对器件温度进行控制，这种方法制冷的效率比较低，并且更换电子元器件也不是很方便；要么仅仅给出恒温控制的方法，没有提供合适的安装方案。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决传统的电子学器件温度控制方法及装置控制精度不高、可能引入电磁干扰、制冷效率比较低以及需要密闭环境等技术问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供一种电子学器件温度闭环控制系统，包括：微控制器、温度检测电路、IGBT驱动电路、Buck电路以及半导体制冷器；

所述温度检测电路用于检测电子学器件的实际温度；所述微控制器输入端与温度检测电路相连，输出端与IGBT驱动电路相连，用于通过温度检测电路确定电子学器件的实际温度，并提供相应占空比的驱动信号驱动IGBT驱动电路；所述IGBT驱动电路与Buck电路相连，所述IGBT驱动电路用于对Buck电路的输出电压进行调制，所述Buck电路经调制后的输出电压的幅值与所述IGBT驱动电路驱动信号的占空比成正比；所述Buck电路与半导体制冷器相连，用于通过经调制后的输出电压控制半导体制冷器制冷，调节电子学器件的温度至设定温度，所述半导体制冷器的冷面与电子学器件紧密接触。

可选地，所述的IGBT电路采用光耦隔离芯片，隔离电压高，额定工作频率高。

可选地，该系统还包括：恒压源；所述恒压源与Buck电路相连，用于为所述Buck电路提供固定的直流电压。

可选地，该系统还包括：散热片；所述散热片与半导体制冷器的热面紧密接触，所述散热片背面设有风扇，用于提高所述散热片的散热能力。

可选地，所述微控制器根据电子学器件的实际温度与电子学器件设定温度的差值确定所述IGBT驱动电路驱动信号的占空比，其中，确定驱动信号占空比的过程中结合了PID算法；通过所述IGBT驱动电路驱动信号的占空比调制Buck电路的输出电压。

可选地，所述Buck电路的输出电压决定所述半导体制冷器的制冷功率，通过调节Buck电路的输出电压调节半导体制冷器的制冷功率调节电子学器件的温度至设定温度。

另一方面，本发明提供一种针对上述一方面提供的电子学器件温度闭环控制系统的安装方法，包括：

将电子元器件放置于温度传感器和半导体制冷器之间；将紧固板与散热片用螺丝加固连接，温度传感器、半导体制冷器以及电子元器件位于紧固板和散热片之间，紧固板用于压紧温度传感器、半导体制冷器以及电子元器件，使它们紧密接触，散热片用于加快半导体制冷器的热量排出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种电子学器件温度闭环控制系统，可以通过半导体制冷器实现对电子学器件的温度闭环控制，克服了电子学器件温度控制方法及装置控制精度不高、可能引入电磁干扰、制冷效率比较低以及需要密闭环境等问题。同时，结合本发明提供的电子学器件温度闭环控制系统的安装方法，有助于温度闭环控制系统的快速调温，实现温度的闭环控制，电路结构较为简单、硬件成本低且系统工作灵活。

附图说明

图1是电子学器件温度闭环控制系统的结构框图；

图2是电子学器件温度闭环控制系统的主电路图；

图3是电子学器件温度闭环控制系统的IGBT驱动电路图；

图4是电子学器件温度闭环控制系统的微控制器程序流程图；

图5是电子学器件温度闭环控制系统半导体制冷器的安装图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明要解决的技术问题是，针对现有恒温控制系统存在的上述不足，提供一种电路结构简单，制冷效率较高的温度闭环控制系统，并给出一种半导体制冷器的安装方法，应用于电子学器件的温度闭环控制。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

电子学器件温度闭环控制系统，包括微控制器、温度检测电路、恒压源、IGBT驱动电路、Buck电路、半导体制冷器。所述微控制器的输入端与温度检测电路相连，实时采集电子元器件表面的温度。微控制器的输出端与IGBT驱动电路相连，通过PID算法，以提供一定占空比的PWM波驱动IGBT，进而对Buck电路的输出电压进行调制，经调制后的电压加在半导体制冷器两端，对电子学器件表面温度进行闭环控制。其中，恒压源为Buck电路提供固定的直流电压输出。此外，半导体制冷器与电子元器件进行了安装设计。

按上述方案，微控制器可采用支持串口、USB、以太网通信的处理器。

按上述方案，温度传感器可采用单总线式的温度传感器。

按上述方案，恒压源可采用功率高、足以驱动半导体制冷器的电源。

按上述方案，IGBT驱动电路可采用光耦隔离芯片，光耦隔离电压高，额定工作频率高。IGBT驱动电路与IGBT的门极和发射极相连，当光耦隔离芯片的输入端为低电平时，此时，加在IGBT门极与发射极的压差为Vcc1V-9V，IGBT导通；当输入端为高电平时，此时，加在IGBT门极与发射极的压差为-9V，负电压可以实现IGBT的快速关断。

按上述方案，Buck电路可以通过调节脉冲占空比对输出电压进行调制，纹波电压小。

按上述方案，半导体制冷器的冷面与电子元器件紧密接触，半导体制冷器的热面与散热片紧密接触，散热片背面安装散热风扇。

本发明的工作原理：用户通过远程界面设置电子元器件需要恒定工作的温度值，通过通信协议发送给微控制器，微控制器根据用户设定的温度值与实际测得的电子元器件温度值的差值，结合PID算法，以提供一定占空比的PWM波驱动IGBT，进而对Buck电路的输出电压进行调制，经调制后的电压加在半导体制冷器两端，对电子学器件表面温度进行闭环控制。

参照图1所示，本发明提供的电子学器件温度闭环控制系统，包括微控制器、温度检测电路、恒压源、IGBT驱动电路、Buck电路、半导体制冷器。微控制器的输入端与温度检测电路相连，实时采集电子元器件表面的温度。微控制器的输出端与IGBT驱动电路相连，通过PID算法，以提供一定占空比的PWM波驱动IGBT，进而对Buck电路的输出电压进行调制，经调制后的电压加在半导体制冷器两端，对电子学器件表面温度进行闭环控制。其中图1中示出的远程交互界面用于实现用户与控制器的人机交互，用户可以通过远程界面设定温度。

参照图2所示，本发明所述的电子学器件温度闭环控制系统的主电路图采用Buck电路，Buck电路包括恒压源Vs、绝缘栅双极晶体管(IGBT)Vg、续流二极管D以及储能元件L、C。其中直流电压源Vs为功率足以驱动半导体制冷器的恒压源。由Buck电路可知，最终加在半导体制冷器上的电压为D*Vs，其中D为IGBT驱动电路驱动电压的占空比。根据式子，通过调节控制IGBT导通与关断的PWM波的占空比D可以进一步调节加在半导体制冷器上的电压，同时电流大小也会发生变化，从而改变半导体制冷器的制冷功率。基于上述原理，根据设定温度值与温度测量电路测得的温度，结合PID算法，通过设定合适的PID参数，其中，驱动电压的占空比D由PID参数控制，最终可以实现对温度的闭环控制。

参照图3所示，IGBT是电子学器件温度闭环控制系统主电路的核心器件，IGBT驱动电路能够有效实现IGBT高速的导通与关断。该电路由光耦隔离芯片、电阻R1、R2、R3，电容C1、C2，稳压管D1组成，其中光耦隔离芯片隔离电压高，额定工作频率高。驱动电路与IGBT的门极和发射极相连，当光耦隔离芯片的输入端为低电平时，此时，加在IGBT门极与发射极的压差为Vcc1-9V，IGBT导通；当输入端为高电平时，此时，加在IGBT门极与发射极的压差为-9V，负电压可以实现IGBT的快速关断。

电子学器件温度闭环控制系统的程序控制流程图如图4所示。系统上电首先初始化，此时，用户通过远程界面设置温度值，通过通信协议发送给控制器，微控制器产生接收中断，将发送的数据存入缓冲数组，之后回到系统中断的地方。若用户事先不设置温度值，则微控制器会读取默认温度值为设定温度值。紧接着微控制器判断所设定的温度是否在合适的范围内，若不在范围内，程序返回，否则，根据设定的温度与实际测得的温度的差值，结合PID算法，得到一定占空比的PWM波，从而实现对半导体制冷器两端电压的调制，进一步调节电子元器件的温度，最后程序重复上述步骤，完成对电子元器件的恒温控制。

在温度闭环控制系统中，半导体制冷器是核心部件，半导体制冷器的制冷性能不仅有赖于电路设计，而且对安装也有所要求。为了能够实现电子学器件温度闭环控制，这就要求电路设计可靠且灵活，此外，半导体制冷器对于电子元器件的安装也要合理。

由于半导体制冷器是温度闭环控制系统的核心部件，要实现高效率的制冷，对半导体制冷器进行合适的安装尤为重要。图5给出了半导体制冷器的一种安装方案，图中标号1表示温度传感器，标号2表示半导体制冷器，标号3表示散热片，标号4表示紧固板。其中电子元器件放置于温度传感器1与半导体制冷器2之间，为了使温度传感器1、电子元器件、半导体制冷器2三者之间接触良好，可以将紧固板4与散热片3用螺丝加固连接。紧固板4用于压紧温度传感器1、半导体制冷器2和电子元器件，使得它们紧密接触。在半导体制冷器正常工作时，若热面的热量不能及时排出，制冷器将起不到制冷的效果，因此，需要加散热片加快热量的排出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电子学器件温度闭环控制系统，其特征在于，包括：微控制器、温度检测电路、IGBT驱动电路、Buck电路以及半导体制冷器；

所述温度检测电路用于检测电子学器件的实际温度；

所述微控制器输入端与温度检测电路相连，输出端与IGBT驱动电路相连，用于通过温度检测电路确定电子学器件的实际温度，并提供相应占空比的驱动信号驱动IGBT驱动电路；

所述IGBT驱动电路与Buck电路相连，所述IGBT驱动电路用于对Buck电路的输出电压进行调制，所述Buck电路经调制后的输出电压的幅值与所述IGBT驱动电路驱动信号的占空比成正比；

所述Buck电路与半导体制冷器相连，用于通过经调制后的输出电压控制半导体制冷器制冷，调节电子学器件的温度至设定温度，所述半导体制冷器的冷面与电子学器件紧密接触。

2.根据权利要求1所述的电子学器件温度闭环控制系统，其特征在于，所述的IGBT电路采用光耦隔离芯片，隔离电压高，额定工作频率高。

3.根据权利要求2所述的电子学器件温度闭环控制系统，其特征在于，还包括：恒压源；

所述恒压源与Buck电路相连，用于为所述Buck电路提供固定的直流电压。

4.根据权利要求3所述的电子学器件温度闭环控制系统，其特征在于，还包括：散热片；

所述散热片与半导体制冷器的热面紧密接触，所述散热片背面设有风扇，用于提高所述散热片的散热能力。

5.根据权利要求1所述的电子学器件温度闭环控制系统，其特征在于，所述微控制器根据电子学器件的实际温度与电子学器件设定温度的差值确定所述IGBT驱动电路驱动信号的占空比，其中，确定驱动信号占空比的过程中结合了PID算法；

通过所述IGBT驱动电路驱动信号的占空比调制Buck电路的输出电压。

6.根据权利要求1或5所述的电子学器件温度闭环控制系统，其特征在于，所述Buck电路的输出电压决定所述半导体制冷器的制冷功率，通过调节Buck电路的输出电压调节半导体制冷器的制冷功率调节电子学器件的温度至设定温度。

7.一种针对权利要求1所述的电子学器件温度闭环控制系统的安装方法，其特征在于，包括：

将电子元器件放置于温度传感器和半导体制冷器之间；

将紧固板与散热片用螺丝加固连接，温度传感器、半导体制冷器以及电子元器件位于紧固板和散热片之间，紧固板用于压紧温度传感器、半导体制冷器以及电子元器件，使它们紧密接触，散热片用于加快半导体制冷器的热量排出。