用于半导体制冷器的温控电路

技术领域

本发明属于温控电路技术领域，具体涉及用于半导体制冷器的温控电路。

背景技术

半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，简称TEC)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。随着TEC半导体片的广泛应用，尤其在其制冷方面具有体积小、效率高、安全稳定等显著优势，被广泛应用于多个领域。

对于4级制冷的TEC，4级制冷TEC的参数范围是电压最大8.3V，电流最大0.5A。现有德州仪器TI和亚德诺ADI的芯片都属于低电压5V以内，不能使TEC工作在满功率状态工作，因为检测器的温度越低信噪比越高，所以在TEC没有满功率工作的时候，达不到实验人员想要的信噪比。同时，考虑到检测器比较贵重，TEC电路通常都具有限压限流保护功能。另外，当TEC处于满功率工作状态中，还会对检测器会有干扰，噪声会变大。

因此，设计一种能够让TEC电路保持在稳态，使TEC处于较小功率状态下工作，且能够提高检测器信噪比的用于半导体制冷器的温控电路，就显得十分必要。

例如，申请号为CN201810449465.3的中国专利文献描述的一种TEC温控电路，所述TEC温控电路包括单片机、温度检测单元、H桥电路以及TEC单元；所述温度检测单元与所述单片机连接；所述H桥电路包括两半桥驱动芯片，两所述半桥驱动芯片均分别与所述单片机以及所述TEC单元连接。虽然采用单片机与半桥驱动芯片搭建TEC温控电路，使得半桥驱动芯片的电压、电流的限额都大幅提高，确保TEC温控电路能够适用于大功率的TEC，且由于半桥驱动芯片内部已经具有电流取样和过流保护功能，因此不需要额外设计电流取样和过流保护电路，极大地降低了H桥电路的复杂程度，提高系统稳定性，但是其缺点在于，由于上述TEC温控电路仅适用于大功率TEC片，因此存在对检测器会有干扰，噪声会变大的问题，且上述TEC温控电路也不能实现温度的自动换挡。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，现有的TEC温控电路存在当TEC处于满功率工作状态时，会对检测器产生干扰，噪声变大，导致控温精度低的问题，提供了一种能够让TEC电路保持在稳态，使TEC处于较小功率状态下工作，且能够提高检测器信噪比的用于半导体制冷器的温控电路。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

用于半导体制冷器的温控电路，包括逻辑控制电路、电压调节电路和限流输出电路；所述逻辑控制电路、电压调节电路和限流输出电路依次电连接；

所述逻辑控制电路，用于温度切换；

所述电压调节电路，用于调节输出电压；

所述限流输出电路，用于对温控电路实现限流。

作为优选，所述电压调节电路包括运算控制器U1、运算放大器U2、热敏电阻R29、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C6、电容C5、电容C4、二极管D1、电感线圈L1和PID调节器；所述运算放大器U2的型号为LTC2053；所述运算控制器U1的型号为LM2678S-ADJ；电阻R2分别与热敏电阻R29和运算放大器U2的第2引脚电连接；热敏电阻R29接地；运算放大器U2的第1引脚和第4引脚均接地；运算放大器U2的第8引脚接5V电源；运算放大器U2的第5引脚与电阻R9电连接；电阻R9分别与电容C6和电阻R10电连接，电容C6接地；运算放大器U2的第6引脚分别与电阻R6、电阻R10和电容C5电连接；运算放大器U2的第7引脚分别与电阻R6、电容C5和PID调节器电连接；运算控制器U1的第3引脚和第6引脚电连接；运算控制器U1的第2引脚分别与电感线圈L1和二极管D1的负极电连接；二极管D1的正极接地，且与电容C4电连接；电容C4分别与电感线圈L1和电阻R3电连接；电阻R3分别与电阻R7和电阻R8电连接；电阻R7与PID调节器电连接。

作为优选，所述PID调节器包括电阻R1、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3和运算放大器U3；所述运算放大器U3的型号为AD8605ARTZ；电阻R4分别与运算放大器U2的第7引脚、电阻R6和电容C5电连接；电阻R5分别与电阻R4和电容C3电连接；运算放大器U3的第4引脚分别与电阻R5、电容C3、电阻R1和电容C1电连接；运算放大器U3的第2引脚接5V电源；运算放大器U3的第5引脚接地；运算放大器U3的第1引脚分别与电容C1、电容C2和电阻R7电连接。

作为优选，所述限流输出电路包括射级跟随器和限流电路；所述射级跟随器与限流电路电连接。

作为优选，所述射级跟随器包括电阻R14、三极管Q2、电阻R11和二极管D2；三极管Q2的集电极与电阻R14电连接；三极管Q2的发射极与电阻R11电连接；电阻R11分别与二极管D2的正极和限流电路电连接；二极管D2的负极分别与电阻R14和三极管Q2基极电连接。

作为优选，所述限流电路包括电阻R13、电阻R16、三极管Q3、电阻R12、电容C7、二极管D3、MOS管Q1和电阻R15；电阻R13分别与电阻R11、二极管D2的正极、电容C7、电阻R12和三极管Q3的发射极电连接；电阻R16分别与电阻R13、电容C7、三极管Q3的集电极、二极管D3的正极和电阻R15电连接；电阻R16接地；电阻R12分别与三极管Q3的基极、二极管D3的负极和MOS管Q1的源极电连接；电阻R15与三极管Q3的栅极电连接；三极管Q3的漏极与半导体制冷器TEC电连接。

作为优选，所述逻辑控制电路包括比较器U5、与门芯片U4、缓启动电路、二极管D4、二极管D5、电阻R18、电阻R27、电阻R28、电容C9、或门芯片U6、或门芯片U7、电子开关U8、一档温度电路、二档温度电路、三档温度电路和四档温度电路；所述比较器U5的型号为AD8605ARTZ；所述与门芯片U4的型号为SN74LVC1G08；所述或门芯片U6和或门芯片U7的型号均为74AUP1G79；比较器U5的第2引脚接5V电源；比较器U5的第5引脚接地，且和与门芯片U4的第3引脚电连接；与门芯片U4的第5引脚接5V电源；与门芯片U4的第4引脚与二极管D4的正极电连接；比较器U5的第1引脚与缓启动电路电连接；二极管D5的正极与缓启动电路电连接；二极管D5的负极分别与电阻R18、二极管D4的负极和或门芯片U6的第1引脚电连接；或门芯片U6的第2引脚分别与或门芯片U6的第4引脚和或门芯片U7的第1引脚电连接；或门芯片U6的第3引脚与或门芯片U7的第3引脚电连接；或门芯片U7的第2引脚与或门芯片U7的第4引脚；

所述电子开关U8的型号为ADG659YRUZ；所述电子开关U8的第16引脚分别与5V电源和电容C9电连接；电容C9接地；电子开关U8的第10引脚与电阻R28电连接；电子开关U8的第9引脚与电阻R27电连接；电阻R28接地；电阻R27接地；电子开关U8的第6引脚、第7引脚和第8引脚均接地；电子开关U8的第1引脚与一档温度电路电连接；电子开关U8的第2引脚与二档温度电路电连接；电子开关U8的第4引脚与三档温度电路电连接；电子开关U8的第5引脚与四档温度电路电连接。

作为优选，所述缓启动电路包括电阻R17、电容C8和MOS管Q4；电阻R17分别与比较器U5的第1引脚、MOS管Q4的漏极和二极管D5的正极电连接；MOS管Q4的栅极分别与电阻R17和电容C8电连接；电容C8接地，并与MOS管Q4的源极电连接。

作为优选，所述一档温度电路包括电阻R19和电阻R23；电阻R19分别与电阻R23和电子开关U8的第1引脚电连接；

所述二档温度电路包括电阻R20和电阻R24；电阻R20分别与电阻R24和电子开关U8的第2引脚电连接；

所述三档温度电路包括电阻R21和电阻R25；电阻R21分别与电阻R25和电子开关U8的第4引脚电连接；

所述四档温度电路包括电阻R22和电阻R26；电阻R22分别与电阻R26和电子开关U8的第5引脚电连接。

本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明相较于MAX1968和LTC1923专用TEC芯片来说，电压电流较MAX1968范围更宽，较LTC1923成本更低，器件都是普通物料，更好替代选型；(2)本发明控温精度高，功率可以做到50-60W，可以应用于大功率负载，用PID调节器反馈，加速平衡；(3)本发明温度自动换挡，能大幅提高检测器的信噪比；(4)本发明采用硬件反馈，不需要软件算法；(5)本发明中的输出限压和输出电压均可更改，可以适用于其他TEC，方便调试。

附图说明

图1为本发明用于半导体制冷器的温控电路中电压调节电路的一种电路图；

图2为本发明用于半导体制冷器的温控电路中限流输出电路的一种电路图；

图3为本发明用于半导体制冷器的温控电路中逻辑控制电路的一种电路图；

图4为本发明用于半导体制冷器的温控电路进行温度切换的一种原理框图；

图5为本发明用于半导体制冷器的温控电路的一种原理框图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。

实施例：

本发明公开了用于半导体制冷器的温控电路，包括逻辑控制电路、电压调节电路和限流输出电路；所述逻辑控制电路、电压调节电路和限流输出电路依次电连接；

所述逻辑控制电路，用于温度切换；

所述电压调节电路，用于调节输出电压；

所述限流输出电路，用于对温控电路实现限流。

如图1所示，电压调节电路包括运算控制器U1、运算放大器U2、热敏电阻R29、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C6、电容C5、电容C4、二极管D1、电感线圈L1和PID调节器；所述运算放大器U2的型号为LTC2053；所述运算控制器U1的型号为LM2678S-ADJ；电阻R2分别与热敏电阻R29和运算放大器U2的第2引脚电连接；热敏电阻R29接地；运算放大器U2的第1引脚和第4引脚均接地；运算放大器U2的第8引脚接5V电源；运算放大器U2的第5引脚与电阻R9电连接；电阻R9分别与电容C6和电阻R10电连接，电容C6接地；运算放大器U2的第6引脚分别与电阻R6、电阻R10和电容C5电连接；运算放大器U2的第7引脚分别与电阻R6、电容C5和PID调节器电连接；运算控制器U1的第3引脚和第6引脚电连接；运算控制器U1的第2引脚分别与电感线圈L1和二极管D1的负极电连接；二极管D1的正极接地，且与电容C4电连接；电容C4分别与电感线圈L1和电阻R3电连接；电阻R3分别与电阻R7和电阻R8电连接；电阻R7与PID调节器电连接。

PID调节器包括电阻R1、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3和运算放大器U3；所述运算放大器U3的型号为AD8605ARTZ；电阻R4分别与运算放大器U2的第7引脚、电阻R6和电容C5电连接；电阻R5分别与电阻R4和电容C3电连接；运算放大器U3的第4引脚分别与电阻R5、电容C3、电阻R1和电容C1电连接；运算放大器U3的第2引脚接5V电源；运算放大器U3的第5引脚接地；运算放大器U3的第1引脚分别与电容C1、电容C2和电阻R7电连接。

电压调节电路中，电阻R6和R10是增益调节。元器件R4、R5、C3、R1、C2、C1、U3组成PID调节器。U3输出参与U1电压输出调节，VO＝R3*(VFB/R3+VFB/R8+(VFB-V1)/R7)，VI的电压范围为0到5V，芯片输出最低1.2V，最高12V。

如图2所示，限流输出电路包括射级跟随器和限流电路；所述射级跟随器与限流电路电连接。

射级跟随器包括电阻R14、三极管Q2、电阻R11和二极管D2；三极管Q2的集电极与电阻R14电连接；三极管Q2的发射极与电阻R11电连接；电阻R11分别与二极管D2的正极和限流电路电连接；二极管D2的负极分别与电阻R14和三极管Q2基极电连接。

限流电路包括电阻R13、电阻R16、三极管Q3、电阻R12、电容C7、二极管D3、MOS管Q1和电阻R15；电阻R13分别与电阻R11、二极管D2的正极、电容C7、电阻R12和三极管Q3的发射极电连接；电阻R16分别与电阻R13、电容C7、三极管Q3的集电极、二极管D3的正极和电阻R15电连接；电阻R16接地；电阻R12分别与三极管Q3的基极、二极管D3的负极和MOS管Q1的源极电连接；电阻R15与三极管Q3的栅极电连接；三极管Q3的漏极与半导体制冷器TEC电连接。

限流电路中，电容C7用于缓启动，且限流公式为0.7/R12。

如图3所示，逻辑控制电路包括比较器U5、与门芯片U4、缓启动电路、二极管D4、二极管D5、电阻R18、电阻R27、电阻R28、电容C9、或门芯片U6、或门芯片U7、电子开关U8、一档温度电路、二档温度电路、三档温度电路和四档温度电路；所述比较器U5的型号为AD8605ARTZ；所述与门芯片U4的型号为SN74LVC1G08；所述或门芯片U6和或门芯片U7的型号均为74AUP1G79；比较器U5的第2引脚接5V电源；比较器U5的第5引脚接地，且和与门芯片U4的第3引脚电连接；与门芯片U4的第5引脚接5V电源；与门芯片U4的第4引脚与二极管D4的正极电连接；比较器U5的第1引脚与缓启动电路电连接；二极管D5的正极与缓启动电路电连接；二极管D5的负极分别与电阻R18、二极管D4的负极和或门芯片U6的第1引脚电连接；或门芯片U6的第2引脚分别与或门芯片U6的第4引脚和或门芯片U7的第1引脚电连接；或门芯片U6的第3引脚与或门芯片U7的第3引脚电连接；或门芯片U7的第2引脚与或门芯片U7的第4引脚；

电子开关U8的型号为ADG659YRUZ；所述电子开关U8的第16引脚分别与5V电源和电容C9电连接；电容C9接地；电子开关U8的第10引脚与电阻R28电连接；电子开关U8的第9引脚与电阻R27电连接；电阻R28接地；电阻R27接地；电子开关U8的第6引脚、第7引脚和第8引脚均接地；电子开关U8的第1引脚与一档温度电路电连接；电子开关U8的第2引脚与二档温度电路电连接；电子开关U8的第4引脚与三档温度电路电连接；电子开关U8的第5引脚与四档温度电路电连接。

缓启动电路包括电阻R17、电容C8和MOS管Q4；电阻R17分别与比较器U5的第1引脚、MOS管Q4的漏极和二极管D5的正极电连接；MOS管Q4的栅极分别与电阻R17和电容C8电连接；电容C8接地，并与MOS管Q4的源极电连接。

一档温度电路包括电阻R19和电阻R23；电阻R19分别与电阻R23和电子开关U8的第1引脚电连接；

二档温度电路包括电阻R20和电阻R24；电阻R20分别与电阻R24和电子开关U8的第2引脚电连接；

三档温度电路包括电阻R21和电阻R25；电阻R21分别与电阻R25和电子开关U8的第4引脚电连接；

四档温度电路包括电阻R22和电阻R26；电阻R22分别与电阻R26和电子开关U8的第5引脚电连接。

元器件U8为四选一电子开关，对应S1、S2、S3、S4四档温度。U5为比较器，当温度没达到，输出高电平。元器件R17、C8、Q4构成缓启动电路，用于复位，与门芯片U4作用是与门，U4和U5输出控制U6，U6和U7为D触发器，做计数器，来一个脉冲，计一次数，根据不同计数切不同温度，温度分为00,01,10,11四档。当输出11，即U4输出高电平时，则不再计数。

如图4和图5所示，本发明电路的工作原理如下：

上电后，电子开关U8默认一档工作，设定温度-90度，TEC开始工作，通过热敏电阻的电压值和设定温度值做误差放大，PID输出与运算控制LM2678调节输出电压，R7、R3、R8和运放U3的供电需计算，这个四个参数决定了TEC供电的最大和最小电压。TEC开始工作满功率12V输出，该电路最大功率60W，后级追加两级限流，保证TEC工作不会过压和过流。

如果10S后未达到设定温度，通过逻辑控制电路切到-80度，以此类推，后面达不到设定温度，依次切换至-70和-60度，直至温度切换到第四档后，停止切换温度，具体如图4所示。DCDC直流变换器在满功率工作的时候会对检测器产生干扰。只有前级平衡，可以提高检测器信噪比。

本发明相较于MAX1968和LTC1923专用TEC芯片来说，电压电流较MAX1968范围更宽，较LTC1923成本更低，器件都是普通物料，更好替代选型；本发明控温精度高，功率可以做到50-60W，可以应用于大功率负载，用PID调节器反馈，加速平衡；本发明温度自动换挡，能大幅提高检测器的信噪比；本发明采用硬件反馈，不需要软件算法；本发明中的输出限压和输出电压均可更改，可以适用于其他TEC，方便调试。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。