CN111258351B - 一种单光子探测器tec温度控制方法及其装置 - Google Patents

一种单光子探测器tec温度控制方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单光子探测器TEC温度控制方法及其装置，DAC芯片根据DAC数字信号控制值向温控电路输入电压VDAC，温控电路中的电子元件R1、R2、R3、R4对电压VDAC分流后经电容组耦合，最终向TEC制冷器的两电压输入端加载调节TEC制冷器温度的电压V_TEC_P/N。本发明依次通过以下方式：选择不同的电源芯片或通过R3、R4自由组合后得到的电阻的阻值实现电流或电压上限的调节、将TEC的温度控制算法嵌于主控单元中、无需TEC制冷驱动芯片、将TEC制冷器控制的单光子探测器模块的温度值、PID参数值放在存储器中依次解决和实现，TEC制冷芯片电压或电流输出不足的问题、参数统一调配的目的、硬件电路设计灵活并降低成本的目的和现有TEC驱动芯片实现TEC制冷硬件平台参数一致性差的问题。

Description

一种单光子探测器TEC温度控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及量子通讯领域，尤其涉及一种单光子探测器TEC温度控制方法及其装置。
背景技术
量子信息技术是当前最前沿的信息科学技术之一，鉴于现有的技术水平，量子通信是量子信息科学技术中最先实现商业化的一种技术。在量子通信中需要单光子探测器，从而要求光电雪崩二极管APD有很高的灵敏度，高性能且稳定的单光子探测器对整个量子通信系统至关重要。
单光子探测器的性能参数包括：探测效率、暗计数和后脉冲概率。具体的，探测效率受以下因素影响：光纤同APD有源区的耦合、光子在InGaAs 层吸收的概率、光生载流子在倍增区触发一次雪崩的几率、一定温度下的偏置电压。暗计数的来源是热激发、隧道贯穿和后脉冲。其中，热激发指激发热辐射，而热辐射主要是红外长波低频辐射，热激发会导致单光子探测器的温度产生变化，单光子探测器受温度影响会导致其对单个光子进行探测和计数不准确。
现有TEC控制芯片(Thermo Electric Cooler)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。珀尔帖效应，是指当电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。TEC制冷技术通常的操作为，设置值设定后，根据温度采集值进行误差分析，得到温度偏差ΔT，PID算法根据ΔT计算出TEC驱动值(电压)，TEC驱动根据驱动值提供驱动电压和驱动方向，进而输出相应电流，从而对单光子探测器进行温控。
参考图1所示的现有TEC制冷器的驱动方法：通过控制器控制DAC芯片给TEC专用驱动芯片提供控制电压来改变其输出电压大小及方向来达到对TEC制冷器的制冷或制热，在控制过程中通过ADC芯片进行温度采集从而实现对单光子探测器的温度控制。有的TEC专用芯片可以通过外部电阻默认值来配置其温度控制目标值，再通过阻容值进行温度PID维稳控制，这样可以进一步的简化TEC控制器外部的驱动电路，具有较高的集成度。
上述TEC控制芯片的驱动方法有的虽然具有较高的集成度，但是其也存在缺点，尤其在量子通信的单光子探测器TEC制冷应用中表现的较为明显，存在以下缺点：
1.专用TEC驱动芯片所能承受的驱动电流有局限性。传统的大电流、高电压TEC制冷专用芯片通过外部的阻容配置其PID参数，当制冷器负载更换时需要调节其硬件电路实现PID参数优化调整，当热负载大时，即使向TEC驱动芯片输入的电压加载至其能承受的最大值，但也无法使TEC制冷器达到目标温度，不能满足单光子探测器在较大热负载下的应用。
2.专用TEC驱动芯片集成了温度控制电路、PID自适应电路时，当需要调节单光子探测器的目标温度或者热负载变化时需要通过调节其硬件电路参数实现对上述值的调整；若当前工作状态为多硬件平台中各单光子探测器协同工作，则导致不同硬件平台的电路参数一致性差，难以对设备进行调节。
所以，如何能够提供一种不局限于输入电压大小且能够在温度调节时能够保持电路参数一致性的TEC温度控制方法，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种单光子探测器TEC温度控制方法及其装置，用以解决现有技术中TEC驱动芯片承受的驱动电流有局限性的问题；还解决了由于TEC 驱动芯片集成温度控制电路和PID自适应电路，在调节单光子探测器的目标温度或热负载变化时需要对与电路硬件参数进行调整，导致各硬件平台的电路参数一致性差的问题。
为了实现上述目的，本发明技术方案提供了一种单光子探测器TEC温度控制方法，包括：DAC芯片根据DAC数字信号控制值向温控电路输入电压 VDAC，温控电路中的电子元件对VDAC分流后，向TEC制冷器的两电压输入端分别加载电压V_TEC_P和电压V_TEC_N，电压V_TEC_P和电压V_TEC_N用于调节TEC制冷器的温度。
作为上述技术方案的优选，较佳的，温控电路中的电源芯片的电压反馈引脚在电路节点A处与第三支路连接，在电路节点A处经一短通路与电路节点B连接；短通路与第二支路于电路节点B处连接。
作为上述技术方案的优选，较佳的，当电压VDAC经第一支路向短通路输入时，第一支路的电流Ic变化，第三支路的电流Ia随之变化，此时电路节点C 处的电压为待输出电压VTEC，电压VTEC经电容组耦合后输出电压V_TEC_P和电压V_TEC_N。
作为上述技术方案的优选，较佳的，当待输出电压VTEC变化时，为了保持电路平衡，电路节点A处电压受到电流Ic的影响产生变化，第二支路的电流Ib随着电压VFB的变化而变化。
作为上述技术方案的优选，较佳的，温度采集组件向ADC芯片上报采集的TEC制冷器的实际温度。
作为上述技术方案的优选，较佳的，主控单元调取相应算法根据单光子探测器的目标工作温度对实际温度进行计算，得到DAC数字信号控制值并下发至DAC芯片。
作为上述技术方案的优选，较佳的，包括一主控单元，主控单元向温控电路中的电源芯片发送用于控制TEC制冷器启动或关断的控制信号。
本发明还提供能够实现上述方法的单光子探测器TEC温度控制装置，它包括：ADC芯片、DAC芯片、电源芯片、主控单元、TEC制冷器、温度采集组件和温控电路。温度采集组件的数据输出引脚与ADC芯片的数据接收引脚连接，ADC芯片的数值信号输出引脚与主控单元的数字信号输入引脚连接，主控单元的DAC信号输出引脚与DAC芯片的DAC信号输入引脚连接。DAC芯片的电压输出引脚经一电阻R4与温控电路的电路节点B连接，电路节点B经一短通路与电路节点A连接，还经一电阻R3后接地。电路节点A与电源芯片的电压反馈FB引脚连接，电路节点A经电阻R2和电阻R1与电源芯片的源极 PH引脚连接于电路节点C，电路节点C经电容组接地，电容组的输出端组与 TEC制冷器的电压输入端组连接。
作为上述技术方案的优选，较佳的，主控单元的控制信号引脚与电源芯片连接，用于控制电源芯片启动和关断。
作为上述技术方案的优选，较佳的，电容C2与电阻R2并联。
本发明技术方案提供了一种单光子探测器TEC温度控制方法及其装置，DAC芯片根据DAC数字信号控制值向温控电路输入电压VDAC，温控电路中的电子元件R1、R2、R3、R4对电压VDAC分流之后再经电容组耦合，最终向TEC 制冷器的两电压输入端加载用于调节TEC制冷器温度的电压V_TEC_P/N。
本发明的优点是：
1.解决了现有TEC制冷芯片电压或电流输出不足问题，本发明可以通过选择不同的电源芯片或者通过的R3、R4自由组合后得到的电阻的阻值实现电流或电压上限的调节。
2.本申请将TEC的温度控制算法嵌于主控单元中，实现了参数的统一调配，从而解决了不同TEC制冷器热负载不同而导致PID参数需要调整其硬件电路问题，该方案可以通过在主控单元中软件实现对其参数进行调整，更佳简单、便捷。
3.本申请无需TEC制冷驱动芯片，通过一电源芯片及其他电子元件实现温控功能，硬件电路设计更佳灵活、成本低。
4.本申请通过将TEC制冷器控制的单光子探测器模块的温度值、PID参数值放在在主控单元的存储器中，可以有效解决现有技术中TEC驱动芯片实现TEC制冷硬件平台参数一致性差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图2及图3是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所涉及现有技术的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的流程示意图。
图3为本发明实施例提供的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明实施例提供的流程示意图，如图2所示，本实施例提供了，包括：
步骤101、主控单元向电源芯片发送控制信号。
当TEC制冷器需要制冷时，主控单元将TEC-CTL-EN信号使能，此时TEC 制冷器启动，反之，则TEC-CTL-EN信号将电源芯片的输出关断。
步骤102、温度采集组件采集TEC制冷器的实际温度，并传输至ADC芯片。
步骤103、主控单元对实际温度进行计算，得到DAC数字信号控制值。
主控单元从外挂或内置的存储器中调取单光子探测器工作所需的温度值、及PID参数及相应算法，经计算后得到DAC数字信号控制值后下发至DAC芯片。
步骤104、向温控电路输入电压VDAC。
步骤105、温控电路中的电流受电压VDAC影响变化后，输出能够调节 TEC制冷器温度的电压。
具体的，如图3所示，温控电路中的电源芯片的电压反馈引脚在电路节点A处与第三支路连接，电压反馈引脚在电路节点A处经一短通路与电路节点B连接。短通路与第二支路于电路节点B处连接。
当电压VDAC向经第一支路向短通路输入时，第一支路的电流Ic变化，第三支路的电流Ia随之变化，此时电路节点C处的电压为待输出电压VTEC，电压VTEC经电容组耦合后输出用于加载至TEC制冷器的电压V_TEC_P和电压 V_TEC_N。
当待输出电压VTEC变化时，为了保持电路平衡，电路节点A处电压VFB随之变化，第二支路的电流Ib随着电压VFB的变化而变化。
现具体对调节过程进行说明，参考图3所示的电路，可知：
VTEC＝Ia×(R1+R2)+Ib×R3 (1)
VFB＝Ib×R3 (2)
Ia＝Ic+Ib (3)
VFB＝Ic×R4+VDAC (4)
当电压VDAC 向短通路输入时，电压VDAC 流经电阻R4时有电流Ic，相较于前一时刻，电流Ic产生变化，根据公式(3)可知Ic产生变化导致第三支路中的电流Ia变化。
根据公式(1)可知，电路节点C处的电压为待输出电压VTEC，VTEC经电容组中C10和C11耦合后，输出电压V_TEC_P和电压V_TEC_N，这两个电压用于加载至TEC制冷器的两个电压端对TEC制冷器的温度进行调节。
在温度调节过程中由于温度采集组件采集到的温度会产生变化，VTEC也会变化，如公式(4)所示电路节点A处电压VFB受到电流Ic的影响也会产生变化，根据公式(2)可知电流Ib随着电压VFB的变化而变化。
其中，前一温度调节周期指的是例如，温度采集单元采集的：TEC制冷器的温度由-48℃至-50℃变化的过程。在此过程中，温度采集单元连续采集的TEC制冷器温度，由于TEC制冷器的温度产生变化，所以实际温度产生变化，从而电压VDAC连续变化。
现说明本申请提供的一种单光子探测器TEC温度控制装置，如图3所示，它包括：ADC芯片1、DAC芯片2、电源芯片3、主控单元4、TEC制冷器5、温度采集组件6和温控电路S。
主控单元4的控制信号引脚与电源芯片3的连接，用于控制电源芯片3的启动和关断，当电源芯片3启动后TEC制冷器5开始工作。
温度采集组件6与TEC制冷器5连接，用于采集TEC制冷器5的工作温度。温度采集组件6的数据输出引脚与ADC芯片1的数据接收引脚连接，用于向 ADC芯片1传输采集的工作温度。
ADC芯片1的数值信号输出引脚与主控单元4的数字信号输入引脚连接，用于将ADC采集数字信号发送至主控单元4。主控单元4接收到ADC采集数字信号后，从其外部存储器7调取TEC制冷器6控制的单光子探测器模块的温度值、PID参数值并计算得到DAC数字信号控制值。此DAC数字信号控制值，经主控单元4的DAC信号输出引脚和DAC芯片2的DAC信号输入引脚之间的通路被传输至DAC芯片2中。
DAC芯片2对DAC数字信号控制值转换，得到的VDAC。DAC芯片2的电压输出引脚经电阻R4与温控电路S的电路节点B连接，此为第一支路。电路节点B经一短通路与电路节点A连接。第二支路为，电路节点B还经一电阻R3 后接地的通路。电路节点A与电源芯片3的电压反馈引脚FB连接。第三支路为，电路节点A经电阻R2和电阻R1与电源芯片3的源极引脚PH连接于电路节点C的通路，在第三支路上电容C2与电阻R2并联。电路节点C经电容组 (电容C10、C11)接地，电容组的输出端组与TEC制冷器5的电压输入端组连接，电容C10、C11并联。
进一步的，在电源芯片3的次级驱动信号器过流保护输入端(BOOT引脚) 和电路节点D之间设有电容C1，电路节点D与电源芯片3的电压反馈引脚FB 连通，此电容用于对电源芯片3起到电流过载保护的作用。
本发明技术方案提供了一种单光子探测器TEC温度控制方法及其装置， DAC芯片根据DAC数字信号控制值向温控电路输入电压VDAC，温控电路中的电子元件R1、R2、R3、R4对电压VDAC分流之后再经电容组耦合，最终向TEC 制冷器的两电压输入端加载用于调节TEC制冷器温度的电压V_TEC_P/N。
本发明的优点是：
1.解决了现有TEC制冷芯片电压或电流输出不足问题，本发明可以通过选择不同的电源芯片或者通过的R3、R4自由组合后得到的电阻的阻值实现电流或电压上限的调节。
2.本申请将TEC的温度控制算法嵌于主控单元中，实现了参数的统一调配，从而解决了不同TEC制冷器热负载不同而导致PID参数需要调整其硬件电路问题，该方案可以通过在主控单元中软件实现对其参数进行调整，更佳简单、便捷。
3.本申请无需TEC制冷驱动芯片，通过一电源芯片及其他电子元件实现温控功能，硬件电路设计更佳灵活、成本低。
4.本申请通过将TEC制冷器控制的单光子探测器模块的温度值、PID参数值放在在主控单元的存储器中，可以有效解决现有技术中TEC驱动芯片实现TEC制冷硬件平台参数一致性差的问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种单光子探测器TEC温度控制装置，其特征在于，包括：ADC芯片、DAC芯片、电源芯片、主控单元、TEC制冷器、温度采集组件和温控电路；
所述温度采集组件的数据输出引脚与所述ADC芯片的数据接收引脚连接，所述ADC芯片的数值信号输出引脚与所述主控单元的数字信号输入引脚连接，所述主控单元的DAC信号输出引脚与所述DAC芯片的DAC信号输入引脚连接；
所述DAC芯片的电压输出引脚经一电阻R4与所述温控电路的电路节点B连接，所述电路节点B经一短通路与电路节点A连接，还经一电阻R3后接地；
所述电路节点A与所述电源芯片的电压反馈FB引脚连接，所述电路节点A经电阻R2和电阻R1与所述电源芯片的源极PH引脚连接于电路节点C，所述电路节点C经电容组接地，所述电容组的输出端组与所述TEC制冷器的电压输入端组连接；
所述主控单元根据电阻R4两端的电压来调节所述温控电路中的电路节点C处的电压VTEC，其中，所述电路节点C处的电压VTEC随着电阻R4两端的电压的变化而变换，并且被加载于所述TEC制冷器的两电压输入端V_TEC_P和电压V_TEC_N，以调节所述TEC制冷器的温度，
其中，所述电阻R4两端分别为由所述DAC芯片输出的电压VDAC和所述电源芯片的电压反馈引脚在电路节点A处的电压VFB，并且所述DAC芯片输出的电压VDAC随着所述温度采集组件所采集的所述TEC制冷器的实际温度的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的一种单光子探测器TEC温度控制装置，其特征在于，所述主控单元的控制信号引脚与所述电源芯片连接，用于控制所述电源芯片启动和关断。
3.根据权利要求2所述的一种单光子探测器TEC温度控制装置，其特征在于，电容C2与所述电阻R2并联。
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