CN207008428U - 一种自适应调温电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种自适应调温电路，包括基准电源电路、模拟比较器电路、模拟开关电路、差分减法电路和至少一个TEC阵列控制支路，其中TEC阵列控制支路包括高压高流运放电路、方向控制电路和TEC阵列。通过模拟开关电路、差分减法电路和高压高流运放电路对输入信号和基准信号的差值进行放大，放大后的电压输入到方向控制电路。模拟比较器电路对输入信号和基准信号进行比较后输出控制信号。方向控制电路根据控制信号控制输出电压的方向和大小，该输出电压对TEC阵列进行制冷和制热控制。本方案中的自适应调温电路通过模拟电路技术实现了自适应调压控制TEC制冷和制热两种功能，电路设计简单，输出电压的纹波小，提高了制冷以及制热的效率。

Description

一种自适应调温电路

技术领域

本实用新型涉及温度控制技术领域，具体涉及一种自适应调温电路。

背景技术

半导体致冷器(Thermoelectric Cooler,TEC)是利用半导体材料的珀尔帖效应实现制冷或制热。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种不同半导体材料回路时，结点上将产生吸热或放热现象。

近年来，在精密仪器温控环节中,TEC因为体积小巧,使用方便，因此得到了广泛的应用。目前,精密仪器温控大多是通过温度传感器检测温度数据，MCU处理温度数据之后，通过PWM功率驱动器输出的PWM控制信号给TEC提供电流,通过PWM控制TEC来实现单纯的制冷效果，或者是单纯的加热效果。这种实现途径目前虽然解决了很多问题,但PWM控制TEC的实现方法也存在以下缺陷：

首先，TEC只用于单纯的制冷效果，或者是单纯的加热效果，实际应用中为了达到制冷或者加热的效果，往往需要几十片或者上百片TEC同时工作，这种实现方法在增加设计成本的同时，耗能也比较高；

其次，PWM控制TEC的这种实现方法中PWM功率驱动器后级往往需要加入LC滤波器,这种实现方法在增加设计成本的同时，耗能也比较高；

再次，PWM控制TEC的这种实现方法，PWM驱动器工作在高速开关切换状态下，会产生很大的尖峰脉冲，工作效率低、精度低，严重影响到TEC的使用寿命。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中TEC的效率低、精度低和寿命短的缺陷。

为此，本实用新型提供一种精密自适应调温电路，包括：基准电源电路，用于输出基准信号；模拟比较器电路，其两个输入端分别输入所述基准信号和输入信号，通过比较所述基准信号和所述输入信号其输出端输出控制信号；模拟开关电路，其控制端输入所述控制信号，其两个输入端分别输入所述基准信号和所述输入信号，其两个输出端根据所述控制信号分别输出第一差分信号和第二差分信号；差分减法电路，其第一输入端输入所述第一差分信号，其第二输入端输入所述第二差分信号，其输出端输出差值信号；至少一个TEC阵列控制支路，所述TEC阵列控制支路包括高压高流运放电路、方向控制电路和TEC阵列，其中，所述高压高流运放电路，其输入端输入所述差值信号，将所述差值信号放大后其两个输出端输出第一电压；所述方向控制电路，其控制端输入所述控制信号，其两个输入端接入所述第一电压，其两个输出端根据所述控制信号控制输出电压的方向及大小，当所述输入信号大于所述基准信号时，输出正向电压，当所述输入信号小于所述基准信号时，输出负向电压，所述输入信号与所述基准信号的差值与所述输出电压的大小成正比；所述TEC阵列，其两个输入端接入所述方向控制电路输出的所述输出电压，根据所述输出电压的方向进行制冷或制热，并根据所述输出电压的大小调整制冷或制热的功率。

可选地，所述TEC阵列控制支路设置有多个，每个所述TEC阵列控制支路均包括所述高压高流运放电路、所述方向控制电路和所述TEC阵列。

可选地，还包括所述基准电源电路输出的基准信号的值设置为所述输入信号范围的中间值。

可选地，还包括所述差分减法电路放大的倍数为1-3倍。

可选地，还包括所述高压高流运放电路放大的倍数为3-10倍。

可选地，还包括:第一电源，为所述高压高流运放电路供电；第二电源，为所述基准电源电路、所述模拟比较器电路、所述模拟开关电路、所述差分减法电路及所述方向控制电路供电。

可选地，还包括所述第二电源由所述第一电源降压后提供。

可选地，还包括第一跟随电路，所述模拟开关电路输出的所述第一差分信号经所述第一跟随电路处理后输入所述差分减法电路。

可选地，还包括第二跟随电路，所述模拟开关电路输出的所述第二差分信号经所述第二跟随电路处理后输入所述差分减法电路。

可选地，还包括所述模拟开关电路中，所述基准信号大于所述输入信号时，所述控制信号控制所述第一差分信号为所述基准信号，所述第二差分信号为所述输入信号；所述基准信号小于所述输入信号时，所述控制信号控制所述第一差分信号为所述输入信号，所述第二差分信号为所述基准信号。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型提供自适应调温电路，包括基准电源电路，用于输出基准信号；模拟比较器电路，其两个输入端分别输入基准信号和输入信号，通过比较基准信号和输入信号其输出端输出控制信号；模拟开关电路，其控制端输入所述控制信号，其两个输入端分别输入基准信号和输入信号，其两个输出端根据控制信号分别输出第一差分信号和第二差分信号；差分减法电路，其第一输入端输入第一差分信号，其第二输入端输入第二差分信号，其输出端输出差值信号；至少一个TEC阵列控制支路，所述TEC阵列控制支路包括高压高流运放电路、方向控制电路和TEC阵列，其中，高压高流运放电路，其输入端输入差值信号，将差值信号放大后其两个输出端输出第一电压；方向控制电路，其控制端输入控制信号，其两个输入端接入第一电压，其两个输出端根据控制信号控制输出电压的方向及大小，当输入信号大于基准信号时，输出正向电压，当输入信号小于基准信号时，输出负向电压，输入信号与基准信号的差值与输出电压的大小成正比；TEC阵列，其两个输入端接入方向控制电路输出的电压，根据电压的方向进行制冷或制热，并根据输出电压的大小调整制冷或制热的功率。该方案中的精密自适应调温电路，通过模拟电路技术实现了自适应调压控制TEC制冷和制热两种功能，电路设计简单，输出电压的纹波小，电路在稳定性、精度以及能耗方面都达到了很好的效果，提高了制冷以及制热的效率，延长了使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例中自适应调温电路的一个具体示例的电路结构图；

图2为本实用新型实施例中自适应调温电路的另一个具体示例的电路结构图；

图3为本实用新型实施例中自适应调温电路的一个具体示例的可选方案的电路结构图；

图4为本实用新型实施例1中自适应调温电路的一个具体工作流程的电路结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供一种自适应调温电路，根据输入信号的变化，通过控制TEC阵列的制冷和制热功能，实现对温度的自适应调节，例如在精密仪器温度控制环节，当精密仪器所处环境温度过高时，TEC处于制冷状态；当温度过低时，TEC自动切换到制热状态，使环境温度保持一致。本实施例中的自适应调温电路，可用于调整某一空间的温度，使其通过自适应调节的方式保持空间温度的稳定，实现稳定、精确的温度控制。

本实施例提供一种自适应调温电路，如图1所示，包括：基准电源电路10，模拟比较器电路20，模拟开关电路30、差分减法电路40、TEC阵列控制支路50，第一电源60，第二电源70，其中：

基准电源电路10，用于输出基准信号。根据所需温度调节的范围合理设置，当所需制冷范围较大时，输出基准信号的值可以设置的相对低一些；当所需制热范围较大时，输出基准信号的值可以设置的相对高一些；当所需制冷和制热范围一致时，输出基准信号的值可以设置为输入信号范围的中间值。输入信号的范围由温度调节范围确定，当温度调节范围大时，输入信号的范围就大，当温度调节范围小时，输入信号的范围也变小。因此，可以根据输入信号的范围合理确定基准信号的值。输出基准信号可以是电压信号也可以是电流信号。本实施例中基准信号为电压信号，输入信号的电压范围为0～10V，基准信号的电压值设置为5V，基准电源电路输出的基准信号的值设置为输入信号范围的中间值，这样使得制冷和制热的调节范围一致，能够更好的保持温度恒定。当然，在其他的实施方案中，基准电压可以设置为其他值，根据需要合理设置即可。

模拟比较器电路20，其两个输入端分别输入基准信号和输入信号，通过比较基准信号和输入信号的大小，输出端输出控制信号。此处的模拟比较器电路20包括一个比较器，如果输入信号大于基准信号，则输出高电平，如果输入信号小于基准信号，则输出低电平。高电平或低电平作为控制信号发送给模拟开关电路30和方向控制电路52。输入信号可以是电压信号也可以是电流信号，仅需与基准信号对应一致即可。本实施例中基准信号和输入信号均设置为电压信号。当然，在其他可实施例中，输入信号和基准信号也可以设置为电流信号，根据需要合理设置即可。

模拟开关电路30，其控制端输入控制信号，其两个输入端分别输入基准信号和输入信号，其两个输出端根据控制信号分别输出第一差分信号和第二差分信号。模拟开关电路30的作用是将第一差分电压和第二差分电压中较大的电压固定在一个输出端输出，这样使得模拟开关的输出信号经过差分减法电路和高压高流运放之后一直为正。具体地，当输入信号大于基准信号时，控制信号为高电平，控制第一输出端输出的第一差分信号为输入信号，第二输出端输出的第二差分信号为基准信号。当输入信号小于基准信号时，控制信号为低电平，控制第一输出端输出的第一差分信号为基准信号，第二输出端输出的第二差分信号为输入信号。这样无论输入信号和基准信号的高低，第一输出端输出的都是二者之中较大的信号，第二输出端输出的是二者之中较小的信号，控制信号根据其高低电平控制两个输出端输出的电压反相。

差分减法电路40，其第一输入端输入第一差分信号，其第二输入端输入第二差分信号，其输出端输出差值信号。本实施例中差分减法电路的放大倍数设置为1倍，在其他的实施方案中，放大倍数可以合理设置，一般设置为1-3倍。

TEC阵列控制支路50，包括：

高压高流运放电路51，输入端输入差分减法电路40输出的差值信号，将该差值信号进行放大后输出第一电压。本实施例中高压高流运放电路的的放大倍数设置为5倍，在其他的实施方案中，放大倍数可以合理设置，一般设置为3-10倍。

方向控制电路52，控制端输入模拟比较器电路20输出的控制信号，两个输入端连接高压高流运放51输出的第一电压，两个输出端根据控制信号控制输出电压的方向和大小。输出电压的大小根据输入信号和基准信号的差值经过差分减法电路放大后输出的差值信号确定，差值信号范围大时，输出电压的范围大，反之，差值信号范围小，输出电压范围也小；输出电压的方向根据控制信号确定，当输入信号大于基准信号时，控制信号为高电平时，输出正向电压，当控制信号为低电平时，输出负向电压。

TEC阵列53，两个输入端接入方向控制电路输出的电压，根据电压的方向进行制冷或制热，并根据输出电压的大小调整制冷或制热的功率。当输入端输入正向电压时，TEC阵列进行制冷，且电压值越大，制冷效果越好；当输入端输入负向电压时，TEC阵列进行制热，且电压值越大，制热效果越好。由于TEC阵列既可以用于制冷又可以用于制热，因此，与通过PWM控制的TEC调温方法(TEC仅用于制冷和仅用于制热)相比，在TEC数量减少一半的状态下，通过实测对比之后，效率高出30％，TEC的使用寿命是PWM控制TEC调温方法的3倍。

TEC控制支路50根据差分减法电路的输出能力确定，可以为一个或者两个以上。差分减法电路的驱动能力越大，可以并联的支路个数越多，TEC阵列的个数也越多，制冷和制热效果就越明显。在本实施例中，如图1所示，支路个数设置为2个，当然，在其他实施例中也可以设置为一个或者三个及以上更多个，根据实际情况合理设置即可。当TEC控制支路为多个的时候，每个TEC控制支路的结构与上述TEC控制支路50的结构相同，控制该支路中的TEC器件制热或制冷。

第一电源60，为高压高流运放电路51供电，第二电源70，为基准电源电路10、模拟比较器电路20、模拟开关电路30、差分减法电路40及方向控制电路52供电。在本实施例中第二电源由第一电源降压后提供，如图1所示，第一电源和第二电源可以由单独的电源分别提供，如图2所示。第一电源和第二电源可以是电流源也可以是电压源，根据所需合理选择即可。在本实施例中，如图1所示，第一电源设置为电压源，电压值为28V，经过降压芯片降压后得到第二电源，第二电压源的电压值为12V，当然，在其他可实施的方案中，电压值合理设置即可。本实施例中通过降压方式实现单电源供电，有效简化了电路的复杂度，节约整个电路的生产成本，同时降低了电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)。

上述自适应调温电路，通过单电源模拟电路技术实现了自适应调压控制TEC制冷和制热两种功能，电路设计简单，输出电压的纹波小，电路在稳定性、精度以及能耗方面都达到了很好的效果，提高了制冷以及制热的效率，延长了使用寿命。

作为进一步可选的实现方案，为了减少电路中的阻抗，该自适应调温电路中还包括第一跟随电路80和第二跟随电路90，如图3所示，模拟开关电路输出的第一差分信号经第一跟随电路处理后输入差分减法电路的第一输入端，模拟开关电路输出的第二差分信号经第二跟随电路处理后输入差分减法电路的第二输入端。跟随电路可以是电压跟随电路，也可以是电流跟随电路，根据模拟开关电路输出的信号设置，模拟开关输出电压信号，则选择电压跟随电路，例如电压跟随器，模拟开关输出电流信号，则选择电流跟随电路，例如电流跟随器。在本实施例中，此处的跟随电路通过电压跟随器来实现，电压跟随器是实现输出电压跟随输入电压的变化的一类电子元件。电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1，电压跟随器的显著特点就是输入阻抗高、输出阻抗低。一般来说，输入阻抗可以达到几兆欧姆，而输出阻抗低，通常只有几欧姆，甚至更低。通过电压跟随器来降低阻抗。

本实施例中的温控调压电路，此处给出一个具体的工作流程，如图4所示：

第一电源60输入为DC28V，通过电源降压芯片调整到DC12V，DC12V为第二电源70，为基准电源电路10、模拟比较器电路20、模拟开关电路30、第一跟随电路80、第二跟随电路90、差分减法电路40及方向控制电路52供电，DC28V直接为高压运放电路51供电，如图2所示。输入信号①为电压信号，电压幅度为0～10V。基准信号②为电压信号，电压值设置为5V。模拟比较电路输出端输出控制电压③。模拟开关电路两个输出端为④和⑤，其中输出端④为第一差分电压，输出端⑤为第二差分电压。第一电压跟随电路跟随第一差分电压④输出第一跟随电压⑥，第二电压跟随电路跟随第二差分电压⑤输出第二跟随电压⑦。差分减法电路的输出端输出差值电压⑧。TEC控制支路50为两路，以其中一路为例，高压高流运放的两个输出端为⑨和⑩，其中，⑨为输出电压的正极，⑩为输出电压的负极。方向控制电路的两个输出端为和 为输出电压的正极，为输出电压的负极。

当输入电压①大于基准电压②时，控制电压③为高电平。第一差分电压④和第一跟随电压⑥的电压值等同于输入电压①，电压范围为5～10V,第二差分电压⑤和第二跟随电压⑦的值为基准电压②，电压值为5V。第一跟随电压⑥和第二跟随电压⑦的值经过差分减法电路做减法之后输出差值⑧，差值电压⑧的范围为0～5V。差值电压⑧经过高压高流运放电路放大5倍后输出第一电压，第一电压的正极为⑨，负极为⑩，输出电压范围为0～25V。第一电压通过控制电压③(高电平)经过方向控制电路输出TEC控制电压，电压范围为0～25V，输出端为正极，输出端为负极。输出TEC控制电压给TEC阵列加电，TEC实现制冷，制冷的强度随着大于+5V的输入电压①的大小而改变，当输入电压①达到+10V时，TEC达到最强的制冷效果。

当输入电压①小于基准电压②时，控制电压③为低电平。第一差分信号④和第一跟随电压⑥的电压值等同于基准电压②,电压值为5V,第二差分电压⑤和第二跟随电压⑦的值为输入电压①，电压范围为0～5V。第一跟随电压⑥和第二跟随电压⑦的值经过差分减法电路做减法之后输出差值⑧，差值电压⑧的范围为0～5V，差值电压⑧经过高压高流运放电路放大5倍后输出第一电压，第一电压的正极为⑨，负极为⑩，输出电压范围为0～25V。第一电压通过控制电压③(低电平)经过方向控制电路输出TEC控制电压，电压范围为-25～0V，输出端为正极，输出端为负极。输出TEC控制电压给TEC加电，TEC实现制热，制热的强度随着小于+5V的输入电压①的大小而改变，当输入电压①达到0V时，TEC达到最强的制热效果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种自适应调温电路，其特征在于：

基准电源电路，用于输出基准信号；

模拟比较器电路，其两个输入端分别输入所述基准信号和输入信号，通过比较所述基准信号和所述输入信号其输出端输出控制信号；

模拟开关电路，其控制端输入所述控制信号，其两个输入端分别输入所述基准信号和所述输入信号，其两个输出端根据所述控制信号分别输出第一差分信号和第二差分信号；

差分减法电路，其第一输入端输入所述第一差分信号，其第二输入端输入所述第二差分信号，其输出端输出差值信号；

至少一个TEC阵列控制支路，所述TEC阵列控制支路包括高压高流运放电路、方向控制电路和TEC阵列，其中：

所述高压高流运放电路，其输入端输入所述差值信号，将所述差值信号放大后其两个输出端输出第一电压；

所述方向控制电路，其控制端输入所述控制信号，其两个输入端接入所述第一电压，其两个输出端根据所述控制信号控制输出电压的方向及大小，当所述输入信号大于所述基准信号时，输出正向电压，当所述输入信号小于所述基准信号时，输出负向电压，所述输入信号与所述基准信号的差值与所述输出电压的大小成正比；

所述TEC阵列，其两个输入端接入所述方向控制电路输出的所述输出电压，根据所述输出电压的方向进行制冷或制热，并根据所述输出电压的大小调整制冷或制热的功率。

2.根据权利要求1所述的自适应调温电路，其特征在于，所述TEC阵列控制支路设置有多个，每个所述TEC阵列控制支路均包括所述高压高流运放电路、所述方向控制电路和所述TEC阵列。

3.根据权利要求1-2任一项所述的自适应调温电路，其特征在于，还包括所述基准电源电路输出的基准信号的值设置为所述输入信号范围的中间值。

4.根据权利要求1-2任一项所述的自适应调温电路，其特征在于，还包括所述差分减法电路放大的倍数为1-3倍。

5.根据权利要求1-2任一项所述的自适应调温电路，其特征在于，还包括所述高压高流运放电路放大的倍数为3-10倍。

6.根据权利要求1-2任一项所述的自适应调温电路，其特征在于，还包括:

第一电源，为所述高压高流运放电路供电；

第二电源，为所述基准电源电路、所述模拟比较器电路、所述模拟开关电路、所述差分减法电路及所述方向控制电路供电。

7.根据权利要求6所述的自适应调温电路，其特征在于，还包括所述 第二电源由所述第一电源降压后提供。

8.根据权利要求1-2任一项所述的自适应调温电路，其特征在于，还包括第一跟随电路，所述模拟开关电路输出的所述第一差分信号经所述第一跟随电路处理后输入所述差分减法电路。

9.根据权利要求1-2任一项所述的自适应调温电路，其特征在于，还包括第二跟随电路，所述模拟开关电路输出的所述第二差分信号经所述第二跟随电路处理后输入所述差分减法电路。

10.根据权利要求1所述的自适应调温电路，其特征在于，还包括所述模拟开关电路中，所述基准信号大于所述输入信号时，所述控制信号控制所述第一差分信号为所述基准信号，所述第二差分信号为所述输入信号；所述基准信号小于所述输入信号时，所述控制信号控制所述第一差分信号为所述输入信号，所述第二差分信号为所述基准信号。