CN109857172A - 一种用于单电阻微热板的控温装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控温装置，一种用于单电阻微热板的控温装置，包括测试电流电路及加热电流电路。本发明具有以下优点：(1)设计了具有自适应调节功能的测试电流电路，针对不同的目标工作温度，电路可自动切换到合适的测试电流，减小温度波动幅度，从而实现高精度控温；(2)设计了周期为微秒级的时钟发生电路，实现了时钟信号电路的内部集成，实现高度集成化；(3)设计了加热模式控制电路，可以通过一个加热模式控制信号来实现持续加热和间隙加热模式的切换，并且可以控制间隙加热模式的加热周期和占空比，实现低功耗。

Description

一种用于单电阻微热板的控温装置

技术领域

本发明涉及一种控温装置，更具体地说，涉及一种用于单电阻微热板的控温装置。

背景技术

在微热板传感器中，为了提高集成度和降低成本，往往设计唯一的电阻(单电阻)。当电流通过此电阻时，因焦耳热效应而产生热能使微热板温度升高；同时，此电阻也具有稳定的温度电阻系数，其阻值随温度的变化而单调升高或降低，通过测量阻值即可获得微热板的平均温度。已有的大多数控温电路只适用于加热器件与测温器件分立的情况，如已授权的发明专利《抗辐照红外探测器制冷电机的精确控温电路》。已公开报道的、适用于单电阻微热板的控温电路分别出自文章《Systematic design of micro-resistors fortemperature control by quasi-simultaneous heating and temperature sensing》和《Driver Circuit System for Temperature Control of Micro-hotplates:Measurementand Strategy》，均采用开关脉冲宽度调节方式。将流过电阻的电流分为固定的测试电流和由开关控制的加热电流两部分。存在的问题是由于采用固定测试电流，如果需要实现较低温区的控温，测试电流必须足够小，导致微热板能达到的上限温度较低并且高温区控温精度较差；如果需要实现较高温区的精确控温，则测试电流必须足够大，导致微热板能达到的下限温度过高。因此单路测试电流的电路存在控温范围较窄、控温精度较差的问题。此外，已发表的相关文献中，时钟脉冲信号大多采用外接方式，还未见内部集成。最后，传统的微热板加热模式大多采用恒温加热模式，而为了实现更低功耗的应用，微热板控温电路应该具有间歇加热模式。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种用于单电阻微热板的控温装置。该装置是在开关脉冲宽度调节控温电路基础上，设计了具有自适应调节功能的测试电流电路、周期为微秒级的时钟发生电路以及加热模式控制电路。本发明设计的一种用于单电阻微热板的控温装置，具有控温范围大、控温精度高、集成度高和功耗低的优点。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种用于单电阻微热板的控温装置，包括测试电流电路及加热电流电路，所述测试电流电路，包括带隙电压基准电路，第一运算放大器AMP1，第二运算放大器AMP2，第一加热模式控制电路，测试电流切换控制电路，基准电压设定电路及三个输出电流电路，所述加热电流电路，包括微热板Rs，线性开关M0，比较器C，触发器D，第一或门OR1，时钟发生电路及第二加热模式控制电路，所述第一加热模式控制电路输出端分别与基准电压设定电路输入端及三个输出电流电路输入端相连，基准电压设定电路输出端分别与时钟发生电路输入端、第一运算放大器AMP1输入负端及测试电流切换控制电路输入端相连，测试电流切换控制电路输出端分别与三个输出电流电路输入端相连，三个输出电流电路输出端分别与微热板Rs输入端及第二运算放大器AMP2输入负端相连，所述带隙电压基准电路输出端分别与第一运算放大器AMP1输入正端及第二运算放大器AMP2输入正端相连，第一运算放大器AMP1输出端及第二运算放大器AMP2输出端分别与第一加热模式控制电路输入端相连，所述触发器D输出端与第一或门OR1输入端相连，第一或门OR1输出端与第二加热模式控制电路输入端相连，第二加热模式控制电路输出端与线性开关M0输入端相连，线性开关M0输出端与微热板Rs输入端相连，所述时钟发生电路输出端分别与触发器D输入端及第一或门OR1输入端相连，触发器D另一个输入端与比较器C输出端相连，比较器C输入正端与测试电流切换控制电路输入端相连并与控温信号Vref连接，比较器C输入负端与微热板Rs输出端相连，微热板Rs输入端与电源电压VCC相连，所述第一加热模式控制电路输入端、第二加热模式控制电路输入端及时钟发生电路输入端相连并与加热模式控制信号CP连接。

所述测试电流切换控制电路，包括第二比较器C2、第三比较器C3、第三或门OR3、第十一反相器inv11和第十二反相器inv12，所述第二比较器C2的负输入端和第三比较器C3的负输入端均与控温信号Vref相连，第二比较器C2的正输入端与基准电压Vref1相连，第三比较器C3的正输入端与基准电压Vref2相连，第二比较器C2的输出端与第十二反相器inv12的输入端相连，第二比较器C2的输出端还连接至第十四反相器inv14，第十二反相器inv12的输出端与第三或门OR3的一个输入端相连，第三或门OR3的另一个输入端与第三比较器C3的输出端相连，第三或门OR3的输出端连接至第十五反相器inv15，第三比较器C3的输出端与第十一反相器inv11的输入端相连，第十一反相器inv11的输出端连接至第十三反相器inv13。

所述时钟发生电路，包括与非门NAND、九个反相器inv1-9和第一比较器C1，第一反相器inv1的输入端与加热模式控制信号CP相连，第一反相器inv1的输出端与与非门NAND的一个输入端相连，与非门NAND的另一个输入端同时与第八反相器inv8的输出端、第九反相器inv9输入端相连，与非门NAND的输出端与第二反相器inv2的输入端相连，第二反相器inv2的输出端与第三反相器inv3的输入端相连，第三反相器inv3的输出端与第四反相器inv4的输入端相连，第四反相器inv4的输出端与第五反相器inv5的输入端相连，第五反相器inv5的输出端与第六反相器inv6的输入端相连，第六反相器inv6的输出端与第七反相器inv7的输入端相连，第七反相器inv7的输出端与第八反相器inv8的输入端相连，第九反相器inv9输出端与第一比较器C1的正输入端相连，第一比较器C1的负输入端与Vb相连，第一比较器C1的输出端与触发器D时钟输入端相连，提供微秒级时钟信号clk。

所述第一加热模式控制电路，包括第十反相器inv10、第十六反相器inv16、第一线性开关MOS管M1、第二线性开关MOS管M2、第四十五线性开关MOS管M45和第四十六线性开关MOS管M46，所述第十反相器inv10的输出端与MOS管M1的栅极相连，MOS管M1的源极与MOS管M2的漏极相连，MOS管M2的源极接地，第十六反相器inv16的输出端与MOS管M45的栅极相连，MOS管M45的源极与MOS管M46的漏极相连，MOS管M46的源极接地，MOS管M2、M46的栅极同时与第十反相器inv10、第十六反相器inv16的输入端及加热模式控制信号CP相连，用于控制第一线性开关MOS管M1、第二线性开关MOS管M2、第四十五线性开关MOS管M45和第四十六线性开关MOS管M46的通断。

所述第二加热模式控制电路，包括第二或门OR2和反相器inv0，第二或门OR2的一个输入端接至第一或门OR1的输出端，第二或门OR2的另一个输入端与加热模式控制信号CP相连，第二或门OR2的输出端接至反相器inv0的输入端，反相器inv0的输出端连接线性开关M0的栅极，线性开关M0的源极接地，漏极连接微热板Rs上，当线性开关M0开启时，即产生加热电流Ih。

本发明有益效果是：一种用于单电阻微热板的控温装置，包括测试电流电路及加热电流电路，所述测试电流电路，包括带隙电压基准电路，第一运算放大器AMP1，第二运算放大器AMP2，第一加热模式控制电路，测试电流切换控制电路，基准电压设定电路及三个输出电流电路，所述加热电流电路，包括微热板Rs，线性开关M0，比较器C，触发器D，第一或门OR1，时钟发生电路及第二加热模式控制电路。与已有技术相比，本发明具有以下优点：(1)设计了具有自适应调节功能的测试电流电路，针对不同的目标工作温度，电路可自动切换到合适的测试电流，减小温度波动幅度，从而实现高精度控温；(2)设计了周期为微秒级的时钟发生电路，实现了时钟信号电路的内部集成，实现高度集成化；(3)设计了加热模式控制电路，可以通过一个加热模式控制信号来实现持续加热和间隙加热模式的切换，并且可以控制间隙加热模式的加热周期和占空比，实现低功耗。

附图说明

图1是本发明总体原理框图。

图2是本发明中的测试电流切换控制电路原理图。

图3是本发明中的时钟发生电路原理图。

图4是本发明中的第1加热模式控制电路原理图。

图5是本发明中的第2加热模式控制电路原理图。

图6是本发明中的基准电压设定电路原理图。

图7是本发明中的三个输出电流电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于单电阻微热板的控温装置，包括测试电流电路及加热电流电路，所述测试电流电路，包括带隙电压基准电路，第一运算放大器AMP1，第二运算放大器AMP2，第一加热模式控制电路，测试电流切换控制电路，基准电压设定电路及三个输出电流电路，所述加热电流电路，包括微热板Rs，线性开关M0，比较器C，触发器D，第一或门OR1，时钟发生电路及第二加热模式控制电路，所述第一加热模式控制电路输出端分别与基准电压设定电路输入端及三个输出电流电路输入端相连，基准电压设定电路输出端分别与时钟发生电路输入端、第一运算放大器AMP1输入负端及测试电流切换控制电路输入端相连，测试电流切换控制电路输出端分别与三个输出电流电路输入端相连，三个输出电流电路输出端分别与微热板Rs输入端及第二运算放大器AMP2输入负端相连，所述带隙电压基准电路输出端分别与第一运算放大器AMP1输入正端及第二运算放大器AMP2输入正端相连，第一运算放大器AMP1输出端及第二运算放大器AMP2输出端分别与第一加热模式控制电路输入端相连，所述触发器D输出端与第一或门OR1输入端相连，第一或门OR1输出端与第二加热模式控制电路输入端相连，第二加热模式控制电路输出端与线性开关M0输入端相连，线性开关M0输出端与微热板Rs输入端相连，所述时钟发生电路输出端分别与触发器D输入端及第一或门OR1输入端相连，触发器D另一个输入端与比较器C输出端相连，比较器C输入正端与测试电流切换控制电路输入端相连并与控温信号Vref连接，比较器C输入负端与微热板Rs输出端相连，微热板Rs输入端与电源电压VCC相连，所述第一加热模式控制电路输入端、第二加热模式控制电路输入端及时钟发生电路输入端相连并与加热模式控制信号CP连接。

如图2所示，测试电流切换控制电路，包括第二比较器C2、第三比较器C3、第三或门OR3、第十一反相器inv11和第十二反相器inv12，所述第二比较器C2的负输入端和第三比较器C3的负输入端均与控温信号Vref相连，第二比较器C2的正输入端与基准电压Vref1相连，第三比较器C3的正输入端与基准电压Vref2相连，第二比较器C2的输出端与第十二反相器inv12的输入端相连，第二比较器C2的输出端还连接至第十四反相器inv14，第十二反相器inv12的输出端与第三或门OR3的一个输入端相连，第三或门OR3的另一个输入端与第三比较器C3的输出端相连，第三或门OR3的输出端连接至第十五反相器inv15，第三比较器C3的输出端与第十一反相器inv11的输入端相连，第十一反相器inv11的输出端连接至第十三反相器inv13。

如图3所示，时钟发生电路，包括与非门NAND、九个反相器inv1-9和第一比较器C1，第一反相器inv1的输入端与加热模式控制信号CP相连，第一反相器inv1的输出端与与非门NAND的一个输入端相连，与非门NAND的另一个输入端同时与第八反相器inv8的输出端、第九反相器inv9输入端相连，与非门NAND的输出端与第二反相器inv2的输入端相连，第二反相器inv2的输出端与第三反相器inv3的输入端相连，第三反相器inv3的输出端与第四反相器inv4的输入端相连，第四反相器inv4的输出端与第五反相器inv5的输入端相连，第五反相器inv5的输出端与第六反相器inv6的输入端相连，第六反相器inv6的输出端与第七反相器inv7的输入端相连，第七反相器inv7的输出端与第八反相器inv8的输入端相连，第九反相器inv9输出端与第一比较器C1的正输入端相连，第一比较器C1的负输入端与Vb相连，第一比较器C1的输出端与触发器D时钟输入端相连，提供微秒级时钟信号clk。

如图4所示，第一加热模式控制电路，包括第十反相器inv10、第十六反相器inv16、第一线性开关MOS管M1、第二线性开关MOS管M2、第四十五线性开关MOS管M45和第四十六线性开关MOS管M46，所述第十反相器inv10的输出端与MOS管M1的栅极相连，MOS管M1的源极与MOS管M2的漏极相连，MOS管M2的源极接地，第十六反相器inv16的输出端与MOS管M45的栅极相连，MOS管M45的源极与MOS管M46的漏极相连，MOS管M46的源极接地，MOS管M2、M46的栅极同时与第十反相器inv10、第十六反相器inv16的输入端及加热模式控制信号CP相连，用于控制第一线性开关MOS管M1、第二线性开关MOS管M2、第四十五线性开关MOS管M45和第四十六线性开关MOS管M46的通断。

如图5所示，第二加热模式控制电路，包括第二或门OR2和反相器inv0，第二或门OR2的一个输入端接至第一或门OR1的输出端，第二或门OR2的另一个输入端与加热模式控制信号CP相连，第二或门OR2的输出端接至反相器inv0的输入端，反相器inv0的输出端连接线性开关M0的栅极，线性开关M0的源极接地，漏极连接微热板Rs上，当线性开关M0开启时，即产生加热电流Ih。

如图6所示，基准电压设定电路，包括由MOS管M3-11构成的电流镜及电阻Rf0、R1-4产生基准电压Va、Vb、Vref1和Vref2。

如图7所示，三个输出电流电路，包括第一个输出电流电路、第二个输出电流电路和第三个输出电流电路，这三个输出电流电路是并联关系。其中，第一个输出电流电路，包括第十三反相器inv13、第十二线性开关M12、第十三线性开关M13、MOS管M14-22构成的电流镜和电阻Rf1、R5，由MOS管M21的漏极输出电流Im1；第二个输出电流电路，包括第十四反相器inv14、第二十三线性开关M23、第二十四线性开关M24、MOS管M25-33构成的电流镜和电阻Rf2、R6，由MOS管M32的漏极输出电流Im2；第三个输出电流电路，包括第十五反相器inv15、第三十四线性开关M34、第三十五线性开关M35、MOS管M36-44构成的电流镜和电阻Rf3、R7，由MOS管M43的漏极输出电流Im3。

各部分电路工作原理介绍如下：

(1)微热板温度控制原理：

电流流过微热板电阻Rs时产生焦耳热效应，微热板吸收电功率而温度升高，流过平均电流越大，温度越高。微热板电阻Rs是线性热敏电阻，Rs与T的对应关系为：Rs＝R0*(1+α*(T-T0))，其中R0为室温阻值，α为温阻系数，T0为环境温度，T为微热板温度。当已知的电流Im流过微热板电阻Rs，微热板电阻两端电压Vs＝Im*Rs，控制Vs为指定电压即可控制微热板的温度。

(2)时钟发生电路501的工作原理：

微热板的热响应时间通常为几毫秒到几十毫秒，因此设计时钟发生电路使其输出时钟信号频率比微热板的热响应频率扩大2个数量级，例如2微秒，以此为时钟周期的加热脉冲给Rs加热，微热板的温度波动可忽略不计。时钟发生电路产生微秒级的方波clk，即时钟信号。其中与非门NAND、反相器inv2-9的电源电压设计为Va(由基准电压设定电路产生)，Vb＝0.5Va(由基准电压设定电路产生)。第一比较器C1使第九反相器inv9输出的波形变为标准的方波clk，clk的周期可以通过调节Va的值来改变。

(3)加热电流电路的工作原理：

当加热模式控制信号CP为低电平时，测试电流电路根据控温信号Vref，自动产生合适的测试电流Im，Im是一个恒定值。Vs＝(Im+Ih)*Rs与控温信号Vref通过比较器C进行比较产生Vcomp，输入到下一级的触发器D中。触发器D为下降沿触发，在时钟clk高电平阶段，A为高电平，C为低电平，M0截止，Ih＝0，Vs＝Im*Rs代表微热板实际温度值；当时钟信号clk下降沿到来时，Vs＝Im*Rs和Vref的比较结果被触发器D锁存为Q信号，在对应于clk低电平阶段保持不变。如果Q为低电平，微热板的温度低于设定的温度，此时A为低电平，C为高电平，线性开关M0处于开启状态，Ih≠0，微热板电流IR＝Im+Ih，加热功率升高，温度上升。如果Q为高电平，对应于微热板的温度高于设定温度，此时A为高电平，C为低电平，线性开关M0处于截止状态，Ih＝0，微热板电流IR＝Im，加热功率降低，温度降低。从而在CP低电平期间实现伺服恒温加热。

(4)测试电流电路的工作原理：

以其中第一输出电流电路为例说明其工作原理。当控制信号1control为高电平时，通过第十三反相器inv13，第十二线性开关M12处于截止状态，第十三线性开关M13处于开启状态，M14-22处于截止状态，Im1＝0，即该路测试电流不被选择。当控制信号1control为低电平时，通过第十三反相器inv13，第十二线性开关M12处于开启状态，第十三线性开关M13处于截止状态，第一个输出电流电路输出设计的恒定电流为Im1，即该路测试电流被选择。综上，只有在控制信号control为低电平时，该路测试电流才会被选择，同一时刻只有1路control信号为低电平，其余为高电平。

设计测试电流大小相邻的输出电流支路工作时控温范围互相有覆盖，设计两个合适的基准电压值Vref1和Vref2，令Vref1>Vref2。当Vref<Vref2，1control＝0，2control＝3control＝1，选择Im1；当Vref>Vref1，2control＝0，1control＝3control＝1，选择Im2；当Vref1>Vref>Vref2，3control＝0，1control＝2control＝1，选择Im3。

(5)第一加热模式控制电路工作原理：

当加热模式控制信号CP为高电平时，通过第十反相器inv10和第十六反相器inv16，第一线性开关M1和第四十五线性开关MOS管M45处于截止状态，第二线性开关M2和第四十六线性开关MOS管M46处于开启状态，起到拉低电平的作用。导致基准电压设定电路、测试电流切换控制电路、三个输出电流电路和时钟发生电路停止工作，整个系统中只有数字模块处于静态工作状态，功耗可忽略，系统处于休眠状态；当CP为低电平时，通过第十反相器inv10和第十六反相器inv16，第一线性开关M1和第四十五线性开关MOS管M45处于开启状态，第二线性开关M2和第四十六线性开关MOS管M46处于截止状态，系统处于工作状态。

(6)第二加热模式控制电路工作原理：

当加热模式控制信号CP为高电平时，通过第二或门OR2和反相器inv0，线性开关M0始终处于截止状态，使加热电流电路处于休眠状态；当CP为低电平时，通过第二或门OR2和反相器inv0，线性开关M0开启或截止受控于微热板的温度变化情况，使加热电流电路处于正常工作状态。综上，当CP为高电平时，系统处于休眠状态；当CP为低电平时，系统处于工作状态。

Claims (5)

1.一种用于单电阻微热板的控温装置，包括测试电流电路及加热电流电路，所述测试电流电路，包括带隙电压基准电路，第一运算放大器AMP1，第二运算放大器AMP2，第一加热模式控制电路，测试电流切换控制电路，基准电压设定电路及三个输出电流电路，所述加热电流电路，包括微热板Rs，线性开关M0，比较器C，触发器D，第一或门OR1，时钟发生电路及第二加热模式控制电路，其特征在于：所述第一加热模式控制电路输出端分别与基准电压设定电路输入端及三个输出电流电路输入端相连，基准电压设定电路输出端分别与时钟发生电路输入端、第一运算放大器AMP1输入负端及测试电流切换控制电路输入端相连，测试电流切换控制电路输出端分别与三个输出电流电路输入端相连，三个输出电流电路输出端分别与微热板Rs输入端及第二运算放大器AMP2输入负端相连，所述带隙电压基准电路输出端分别与第一运算放大器AMP1输入正端及第二运算放大器AMP2输入正端相连，第一运算放大器AMP1输出端及第二运算放大器AMP2输出端分别与第一加热模式控制电路输入端相连，所述触发器D输出端与第一或门OR1输入端相连，第一或门OR1输出端与第二加热模式控制电路输入端相连，第二加热模式控制电路输出端与线性开关M0输入端相连，线性开关M0输出端与微热板Rs输入端相连，所述时钟发生电路输出端分别与触发器D输入端及第一或门OR1输入端相连，触发器D另一个输入端与比较器C输出端相连，比较器C输入正端与测试电流切换控制电路输入端相连并与控温信号Vref连接，比较器C输入负端与微热板Rs输出端相连，微热板Rs输入端与电源电压VCC相连，所述第一加热模式控制电路输入端、第二加热模式控制电路输入端及时钟发生电路输入端相连并与加热模式控制信号CP连接。

2.根据权利要求1所述一种用于单电阻微热板的控温装置，其特征在于：所述测试电流切换控制电路，包括第二比较器C2、第三比较器C3、第三或门OR3、第十一反相器inv11和第十二反相器inv12，所述第二比较器C2的负输入端和第三比较器C3的负输入端均与控温信号Vref相连，第二比较器C2的正输入端与基准电压Vref1相连，第三比较器C3的正输入端与基准电压Vref2相连，第二比较器C2的输出端与第十二反相器inv12的输入端相连，第二比较器C2的输出端还连接至第十四反相器inv14，第十二反相器inv12的输出端与第三或门OR3的一个输入端相连，第三或门OR3的另一个输入端与第三比较器C3的输出端相连，第三或门OR3的输出端连接至第十五反相器inv15，第三比较器C3的输出端与第十一反相器inv11的输入端相连，第十一反相器inv11的输出端连接至第十三反相器inv13。

3.根据权利要求1所述一种用于单电阻微热板的控温装置，其特征在于：所述时钟发生电路，包括与非门NAND、九个反相器inv1-9和第一比较器C1，第一反相器inv1的输入端与加热模式控制信号CP相连，第一反相器inv1的输出端与与非门NAND的一个输入端相连，与非门NAND的另一个输入端同时与第八反相器inv8的输出端、第九反相器inv9输入端相连，与非门NAND的输出端与第二反相器inv2的输入端相连，第二反相器inv2的输出端与第三反相器inv3的输入端相连，第三反相器inv3的输出端与第四反相器inv4的输入端相连，第四反相器inv4的输出端与第五反相器inv5的输入端相连，第五反相器inv5的输出端与第六反相器inv6的输入端相连，第六反相器inv6的输出端与第七反相器inv7的输入端相连，第七反相器inv7的输出端与第八反相器inv8的输入端相连，第九反相器inv9输出端与第一比较器C1的正输入端相连，第一比较器C1的负输入端与Vb相连，第一比较器C1的输出端与触发器D时钟输入端相连，提供微秒级时钟信号clk。

4.根据权利要求1所述一种用于单电阻微热板的控温装置，其特征在于：

所述第一加热模式控制电路，包括第十反相器inv10、第十六反相器inv16、第一线性开关MOS管M1、第二线性开关MOS管M2、第四十五线性开关MOS管M45和第四十六线性开关MOS管M46，所述第十反相器inv10的输出端与MOS管M1的栅极相连，MOS管M1的源极与MOS管M2的漏极相连，MOS管M2的源极接地，第十六反相器inv16的输出端与MOS管M45的栅极相连，MOS管M45的源极与MOS管M46的漏极相连，MOS管M46的源极接地，MOS管M2、M46的栅极同时与第十反相器inv10、第十六反相器inv16的输入端及加热模式控制信号CP相连，用于控制第一线性开关MOS管M1、第二线性开关MOS管M2、第四十五线性开关MOS管M45和第四十六线性开关MOS管M46的通断。

5.根据权利要求1所述一种用于单电阻微热板的控温装置，其特征在于：所述第二加热模式控制电路，包括第二或门OR2和反相器inv0，第二或门OR2的一个输入端接至第一或门OR1的输出端，第二或门OR2的另一个输入端与加热模式控制信号CP相连，第二或门OR2的输出端接至反相器inv0的输入端，反相器inv0的输出端连接线性开关M0的栅极，线性开关M0的源极接地，漏极连接微热板Rs上，当线性开关M0开启时，即产生加热电流Ih。