CN216901379U - 一种热电制冷器的控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种热电制冷器的控制电路，该控制电路包括第一直流电源模块和控制电路模块。第一直流电源模块用于为热电制冷器提供直流电源，控制电路模块包括MOS管，MOS管的漏极接入热电制冷器的负极，MOS管的源极接入第一直流电源模块，或者，MOS管的漏极接入所述第一直流电源模块，MOS管的源极接入热电制冷器的负极，MOS管的栅极接收开关信号，当开关信号为高电平时，MOS管导通，使得第一直流电源模块与热电制冷器的负极相接通，热电制冷器进入工作状态；当开关信号为低电平时，MOS管不导通，使得第一直流电源模块与热电制冷器的负极断开，所述热电制冷器不工作。该控制电路用以通过对热电制冷器的工作状态进行控制，实现对IC芯片进行有效降温。

Description

一种热电制冷器的控制电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种热电制冷器的控制电路。

背景技术

随着集成电路的发展，系统的集成度越来越高，高速工作的集成电路(Integrated Circuit，IC)芯片会产生大量的热量，热量会轻则影响电路板和芯片本身的性能，重则影响电路板和芯片的功能，更严重的甚至会烧毁芯片。因此，目前的电路设计一般都会对IC芯片进行散热，例如，借助导热性能较好的金属外壳散热，或者借助风扇散热等。但是对于大面阵的IC芯片来讲，单纯的依赖外壳或者风扇散热是远远不够的，大面阵的IC芯片依然无法有效散热，严重影响芯片运行时的性能。

亟需一种电路设计方案，可以对IC芯片进行有效降温，以改善上述问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种热电制冷器的控制电路，用以通过对热电制冷器的工作状态进行控制，实现对IC芯片进行有效降温。

第一方面，本实用新型提供一种热电制冷器的控制电路，该控制电路包括第一直流电源模块和控制电路模块。第一直流电源模块用于为热电制冷器提供直流电源，控制电路模块包括MOS管，MOS管的漏极接入热电制冷器的负极， MOS管的源极接入所述第一直流电源模块，或者，所述MOS管的漏极接入所述第一直流电源模块，所述MOS管的源极接入所述热电制冷器的负极，MOS 管的栅极接收开关信号，当开关信号为高电平时，MOS管导通，使得第一直流电源模块与热电制冷器的负极相接通，热电制冷器进入工作状态；当开关信号为低电平时，MOS管不导通，使得第一直流电源模块与热电制冷器的负极断开，所述热电制冷器不工作。

本实用新型提供的热电制冷器的控制电路的有益效果在于：一方面，通过对热电制冷器的工作状态进行控制，实现对IC芯片进行有效降温，另一方面，在不需要散热的时候，控制电路就可以控制热电制冷器停止工作，从而降低功耗。

在一种可能的实现方案中，控制电路模块还包括光电耦合晶体管和第二直流电源模块，向所述光电耦合晶体管输入控制信号，所述第二直流电源模块连接至所述光电耦合晶体管，为所述光电耦合晶体管供电。

所述光电耦合晶体管用于：在所述控制信号为高电平时，光电耦合晶体管导通，向所述MOS管的栅极输出的开关信号为高电平，触发所述MOS管导通；在所述控制信号为低电平时，光电耦合晶体管断开，向所述MOS管的栅极输出的开关信号为低电平，触发所述MOS管不导通。该方案中，一方面，通过光电耦合晶体管的导通或者关闭，可以控制MOS管的栅极的高低电压，从而控制 MOS管的导通或者关闭。另一方面，光电耦合晶体管是将电信号转换到光信号再转为电信号，这样就能够起到隔离作用，避免控制信号中的噪声对热电制冷器造成影响。

在一种可能的实现方案中，上述控制电路模块还包括低通滤波模块；所述低通滤波模块包括电感和电容构成的电路，连接至所述热电制冷器的负极。该方案中，低通滤波模块可以对实现过滤低通信号。

在一种可能的实现方案中，上述控制电路还包括储能电路模块；当所述开关信号为高电平时，所述第一直流电源模块为储能电路模块充电；当所述开关信号为低电平时，所述储能电路模块处于放电状态。储能电路模块可以起到滤波作用，使通过热电制冷器的电源更干净，避免噪声的影响。

在另一种可能的实现方案中，上述控制电路还包括保护电路模块；所述保护电路模块连接在所述热电制冷器，用于控制所述热电制冷器正极的电压在设定电压阈值内，以避免对热电制冷器造成损害。

在其它可能的实现方案中，所述控制电路连接至主控芯片，所述主控芯片，用于从被冷却的集成电路芯片实时获取温度，根据所述温度生成所述控制信号。这样就可以根据被冷却的集成电路芯片的温度的不同，调整控制信号的占空比，从而有效对集成电路芯片进行降温。

在一种可能的实现方案中，所述控制电路模块还包括二极管，所述二极管的正极连接至所述MOS管的源极，所述二极管的负极连接至所述MOS管的漏极，所述二极管用于避免所述MOS管被击穿。

在一种可能的实现方案中，储能电路模块包括LC低通滤波器。

在一种可能的实现方案中，所述保护电路模块包括稳压二极管。

在一种可能的实现方案中，所述热电制冷器安装在散热片和被冷却的集成电路芯片之间。

在一种可能的实现方案中，大面阵的图像传感器包括所述被冷却的集成电路芯片。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种热电制冷器的控制电路结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种控制电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型中的技术方案进行描述。

以下先对下文中涉及的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。

半导体制冷器(Thermo electric Cooler，TEC)，是利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，又称热电制冷器，是一种以半导体材料为基础，可以用作小型热泵的电子元件。通过在热电制冷器的两端加载一个较低的直流电压，热量就会从热电制冷器的一端流到另一端。目前热电制冷器件中最常用到的半导体热电材料是碲化铋。

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行描述。其中，在本实用新型实施例的描述中，以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本实用新型的限制。如在本实用新型的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本实用新型以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在 A和B，单独存在B的情况，其中A、B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本实用新型的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间接连接，除非另外说明。“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

在本实用新型实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本实用新型实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

如图1所示，为本实用新型实施例提供的一种热电制冷器的控制电路10，该控制电路包括直流电源模块101(即第一直流电源模块)、控制电路模块 102。所述直流电源模块101，用于为热电制冷器20提供直流电源。所述控制电路模块102，外接开关信号，当所述开关信号为高电平时，控制电路模块102导通，使得所述直流电源模块101与所述热电制冷器20的负极相接通，所述热电制冷器20进入工作状态；当所述控制信号为低电平时，控制电路模块102断开，使得所述直流电源模块101与所述热电制冷器20的负极断开，所述热电制冷器20不工作。

可选地，所述控制电路还包括储能电路模块103；当所述控制信号为高电平时，所述直流电源模块101为储能电路模块103充电；当所述控制信号为低电平时，所述储能电路模块103处于放电状态。直流电源模块101通过控制电路模块102向储能电路充电，即向电感L1和电容C1构成的电路充电，合理的LC取值，还可以起到滤波作用，使通过L1的电源更加的干净，另外也能够实现对热电制冷器的保护。

一种可能的实施方式中，控制电路模块102外接直流电源模块106(即第二直流电源模块)，控制电路模块10包括MOS管、光电耦合晶体管。直流电源模块106用于为控制电路模块102提供电源，向所述光电耦合晶体管输入控制信号，所述直流电源模块106连接至所述光电耦合晶体管，为所述光电耦合晶体管供电，具体可以参见图2。

所述光电耦合晶体管用于：在所述控制信号为高电平时，光电耦合晶体管导通，向所述MOS管的栅极输出的开关信号为高电平，触发所述MOS管导通；在所述控制信号为低电平时，光电耦合晶体管断开，向所述MOS管的栅极输出的开关信号为低电平，触发所述MOS管不导通。该方案中，一方面，通过光电耦合晶体管的导通或者关闭，可以控制MOS管的栅极的高低电压，从而控制MOS管的导通或者关闭。另一方面，光电耦合晶体管是将电信号转换到光信号再转为电信号，这样就能够起到隔离作用，避免控制信号中的噪声对热电制冷器造成影响。

一种可能的实施方式中，控制信号可以来源于主控芯片105，所述控制电路10连接至所述主控芯片30，所述主控芯片30用于从被冷却的集成电路芯片实时获取温度，根据所述温度生成所述控制信号。一种可能的实现下，主控芯片30为数字信号处理器(DigitalSignal Processing，DSP)、单片机、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)或现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)。这样，就可以根据被冷却的集成电路芯片的温度的不同，调整控制信号的占空比，从而有效对集成电路芯片进行降温，尤其适用于包括被冷却的集成电路芯片的大面阵的图像传感器的场景。另一种可能的实施方式，当被冷却的集成电路芯片具有控制功能时，也可以根据温度传感器所采集的自身的实时温度，生成所述控制信号，也就是说控制信号可以来源于被冷却的集成电路芯片。所述控制信号可以为占空比可调的脉冲宽度调制信号。

可选地，所述控制电路还包括保护电路模块104；保护电路模块104包括稳压二极管。所述保护电路模块104与所述热电制冷器20并联，用于控制所述热电制冷器20正极的电压在设定电压阈值内。

一种可能的实施方式中，如图2所示，控制信号通过电阻R1接到控制电路10中，R1起到限流作用，所述控制电路模块102包括VCC2、第一开关Q1和第二开关Q2，其中，第一开关Q1可以为光电耦合晶体管，光电耦合晶体管一端连接至R2，R2起到限流的作用，第二开关Q2可以为金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)晶体管，也可以为MOS管和二极管的组合晶体管。VCC2为第一开关Q1提供电源，当控制信号CTRL 为高电平时，经过R2和R4的分压作用，使得R3两端电压为高电平，即输入MOS管的栅极电压为高电平，可以使得MOS管导通。当控制信号CTRL 为低电平时，经过R2和R4的分压作用，使得R3两端电压为低电平，即输入MOS管的栅极电压为低电压，无法使得MOS管导通，则Q2为断开状态。

第二开关Q2中的二极管的正极连接至所述MOS管的源极，所述二极管的负极连接至所述MOS管的漏极，所述二极管用于避免所述MOS管被击穿。

具体来说，一种情况下，在所述控制信号为高电平时，光电耦合晶体管导通，向所述MOS管的栅极输出的开关信号为高电平，触发所述MOS管的导通，使得所述直流电源模块101与所述热电制冷器20的负极相接通，所述热电制冷器20进入工作状态。因热电制冷器20安装在散热片和被冷却的IC 芯片之间，通过在热电制冷器20的两端加载一个较低的直流电压，热量就会从热电制冷器20的一端流到另一端，再通过散热器将热量排出。

另一种情况下，在所述控制信号为低电平时，向所述MOS管的栅极输出的开关信号为低电平，触发所述MOS不导通，使得所述直流电源模块101 与所述热电制冷器20的负极断开，所述热电制冷器20不工作。这样在不需要散热的时候，控制电路就可以控制热电制冷器20停止工作，从而降低功耗。

在一种可能的实现方案中，上述控制电路模块102还包括低通滤波模块；所述低通滤波模块包括电阻R5和电容C2构成的电路，连接至所述热电制冷器的负极。该方案中，电阻R5和电容C2并联的作用是可以滤除高频噪声和尖峰干扰，另外还具有吸收静电脉冲的效果。

图2中，控制电路模块102还包括括储能电路模块，所述储能电路模块包括电感L1和电容C1构成的电路；当所述开关信号为高电平时，VCC1为储能电路模块充电；当所述开关信号为低电平时，所述储能电路模块处于放电状态。储能电路模块可以起到滤波作用，使通过热电制冷器的电源更干净，避免噪声的影响。

图2中，所述控制电路模块102还包括稳压二极管D2；所述稳压二极管 D2连接在所述VCC1，用于控制所述热电制冷器正极的电压在设定电压阈值内，以避免对热电制冷器造成损害。

利用热电制冷器对IC芯片进行降温，可以具有下述(1)至(12)所列的优点：

(1)没有运动部件，热电制冷器在工作的时候只用到电能，不会有任何运动的部件，这样一来，他们基本上不需要维护保养。

(2)体积和重量很小，包括上述控制电路和热电制冷器的系统的体积和重量远远小于相应的机械式制冷体系。除此之外，对于各种严格的应用要求，有各种标准的或特殊的尺寸和布局方式可供选择。

(3)可以降温到环境温度以下，传统的散热器需要将温度升高到环境温度以下才可以使用，与其不同的是热电制冷器具有将物体温度降低到环境温度以下的能力。

(4)同一器件可以满足升温和降温的要求，热电制冷器可以通过调整加载的直流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在给定体系内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。

(5)精确的温度控制，由于热电制冷器具有一个闭路温度控制循环，它可以在0.1℃范围内精确地控制温度。

(6)高可靠性，由于全部为固态基构造，热电制冷器具有很高的可靠性。尽管某种程度上与应用条件有关，但是典型热电制冷器的寿命一般可以达到 200，000小时以上。

(7)电子静音，与传统的机械式制冷器件不同，热电制冷器在工作过程中基本上不会产生任何电子干扰信号，它可以与敏感的IC芯片相连接，并不会干扰其工作。另外，它在运行过程中也不会产生任何噪音。

(8)可以在任意角度下工作，热电制冷器可以在任意角度和零重力状态下工作。所以，在航天器械中应用非常广泛。

(9)简单方便的能源供给：热电制冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化。在许多条件下，还可以使用脉冲宽度调制。

(10)点制冷：应用热电制冷器，可以做到单独的单元或者很小的区域进行制冷那个，因此可以避免冷却整个封装器件或者外壳时可能曹成的能源浪费。

(11)发电：通过在热电制冷器上加载温差来使用其逆过程，可以将其变为一个小的直流发电器。

(12)环境友好：传统的机械式制冷系统在工作师不可避免的需要用到氟利氧或者其他化学物质，这些物质对环境有害，而热电制冷器不会涉及化学物质，并且工作过程中也不会产生任何有害气体。

另外，热电制冷器在工作时是作为一个热泵，将热量从一点转移到另一点，而不是普通的吸热过程或者魔术般的将热量消耗掉的过程。通电之后，热电制冷器的一面会变冷，而另一面变热。被制冷一面的热量将传递到热端，完全符合热力学过程。为了完成一个热流的循环过程，热电制冷器需要连接在一个合适的散热器上，从而释放掉从冷端传递过来的热量和器件运行过程中产生的焦耳热。散热器选择有很多，可以包括自然对流式、强制对流式和液体冷却式三种。

综上，热电制冷器具有如下优点，因此，当利用热电制冷器对IC芯片，尤其是应用于大面阵的图像传感器芯片，进行降温时，上述控制电路可以实现有效降温，且上述控制电路还可以有效地节省热电制冷器的功耗。

总之，以上所述仅为本实用新型技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热电制冷器的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括第一直流电源模块、控制电路模块；

所述第一直流电源模块，用于为热电制冷器提供直流电源；

所述控制电路模块包括金属氧化物半导体MOS管，所述MOS管的漏极接入所述热电制冷器的负极，所述MOS管的源极接入所述第一直流电源模块；或者，所述MOS管的漏极接入所述第一直流电源模块，所述MOS管的源极接入所述热电制冷器的负极，所述MOS管的栅极接收开关信号。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路模块还包括光电耦合晶体管和第二直流电源模块，向所述光电耦合晶体管输入控制信号，所述第二直流电源模块连接至所述光电耦合晶体管，为所述光电耦合晶体管供电。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路模块还包括低通滤波模块；

所述低通滤波模块包括电感和电容构成的电路，连接至所述热电制冷器的负极。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括储能电路模块，所述储能电路模块包括LC低通滤波器。

5.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括保护电路模块；

所述保护电路模块与所述热电制冷器并联，用于控制所述热电制冷器正极的电压在设定电压阈值内。

6.根据权利要求1至3任一项所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路连接至主控芯片。

7.根据权利要求1至3任一项所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路模块还包括二极管，所述二极管的正极连接至所述MOS管的源极，所述二极管的负极连接至所述MOS管的漏极，所述二极管用于避免所述MOS管被击穿。

8.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述保护电路模块包括稳压二极管。

9.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述热电制冷器安装在散热片和被冷却的集成电路芯片之间。

10.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，大面阵的图像传感器包括被冷却的集成电路芯片。

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