本發(fā)明涉及半導體熱電制冷器(TEC)溫度控制驅(qū)動領域，尤其涉及一種用于熱電制冷器的高功率低干擾驅(qū)動方法及裝置。

背景技術：

光電探測領域中多使用的是半導體探測器，比如紅外探測器、科學級CCD探測器或sCMOS探測器。它們對溫度均非常敏感，一般需要進行制冷以降低溫度帶來的噪聲影響。而由于尺寸、適用性和方便性的考慮，很多的半導體探測器的制冷采用了制冷精度高、易于控制的半導體熱電制冷模塊(TEC)。受探測器尺寸、目標溫度的限制，用于半導體探測器的TEC一般要求制冷溫度很低，輸入功率高達幾十瓦到上百瓦。同時TEC模塊一般與半導體探測器緊密相接，因此TEC模塊的驅(qū)動電路部分如果具有較大的噪聲，將對極為敏感的半導體探測器帶來較大的影響。

目前對TEC的功率驅(qū)動主要有數(shù)字PID驅(qū)動控制和模擬PID驅(qū)動控制兩種方案。采用數(shù)字PID驅(qū)動控制的方案大都為通過一個控制器進行數(shù)字PID計算，進而通過H電橋產(chǎn)生一組PWM驅(qū)動信號，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來控制TEC的驅(qū)動功率。這種方式可以實現(xiàn)高精度、高效率的對TEC進行功率驅(qū)動，并且對PID的參數(shù)可以數(shù)字化的方便調(diào)節(jié)，但是它也具有明顯的不足之處：PWM直接驅(qū)動方式是產(chǎn)生一種具有占空比的脈沖信號，這種大電流、高頻率的PWM信號將對進行微弱信號探測的探測器及其驅(qū)動電路帶來較為明顯的噪聲影響，其帶來的干擾將很大程度的降低探測器的成像質(zhì)量。

而采用模擬PID驅(qū)動控制的TEC驅(qū)動方案，需要通過調(diào)節(jié)模擬電路來調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，這種方式可以不通過PWM的占空比來控制驅(qū)動功率，而是通過產(chǎn)生一個可反饋調(diào)節(jié)的電壓信號來控制驅(qū)動功率，可以有效的避免PWM脈沖信號帶來的噪聲影響，但是這種方式也有所缺點：模擬PID驅(qū)動方式采用模擬PID反饋控制電路，需要調(diào)節(jié)模擬電路的參數(shù)來改變PID的三個參數(shù)，調(diào)試過程非常繁瑣、耗時，對調(diào)節(jié)人員的要求也較高，不像數(shù)字PID算法可以方便的快速實時調(diào)節(jié)，因此其適應性、易用性較差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于熱電制冷器的高功率低干擾驅(qū)動方法及裝置，采用數(shù)字PID控制方案，驅(qū)動信號可提供較大的功率，同時具有很低的噪聲，對其他敏感電路不易產(chǎn)生影響，特別適用于紅外探測器、科學級CCD探測器或sCMOS探測器的制冷系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種用于熱電制冷器的高功率低干擾驅(qū)動裝置，包括：上位機、MCU控制器、壓控直流輸出功率驅(qū)動電路、噪聲處理模塊、TEC模塊以及溫度測量模塊；其中，上位機、MCU控制器、壓控直流輸出功率驅(qū)動電路、噪聲處理模塊與TEC模塊依次連接；溫度測量模塊一端連接TEC模塊，另一端連接MCU控制器。

所述上位機與MCU控制器通過串口、USB接口、PCI總線、WIFI接口、藍牙接口，或者網(wǎng)絡接口進行數(shù)據(jù)通訊。

所述MCU控制器包括：PID算法模塊、通訊接口模塊、DAC以及SPI接口；其中，通訊接口模塊實現(xiàn)MCU控制器與上位機的數(shù)據(jù)通訊，SPI接口實現(xiàn)MCU控制器與溫度測量模塊的數(shù)據(jù)通訊，PID算法模塊根據(jù)通訊接口模塊接收的目標溫度數(shù)據(jù)與SPI接口接收的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時數(shù)字PID計算，獲得需要輸出的功率值；DAC根據(jù)PID算法模塊計算的功率值輸出一個功率控制電壓至壓控直流輸出功率驅(qū)動電路。

所述壓控直流輸出功率驅(qū)動電路包括：一個DC-DC控制器及其外圍MOSFET和電感電容；DC-DC控制器具有控制電壓輸入和反饋電壓輸入管腳，內(nèi)部通過對控制電壓和反饋電壓的比較，動態(tài)調(diào)整控制外部MOSFET的PWM信號的占空比，MOSFET的輸出經(jīng)過預設的電感電容轉(zhuǎn)換為具有一定紋波的直流信號；再通過將輸出直流信號反饋到DC-DC控制器的反饋電壓輸入管腳，實現(xiàn)輸出電壓對輸入控制電壓的精確跟隨。

所述噪聲處理模塊包括：依次連接的共模電感和LC型濾波網(wǎng)絡；其中，共模電感用于濾除壓控直流輸出功率驅(qū)動電路輸出信號中的共模噪聲，LC型濾波網(wǎng)絡用于濾除壓控直流輸出功率驅(qū)動電路輸出信號中的差模噪聲。

所述TEC模塊置于密閉或真空腔體內(nèi)，冷端對目標探測器進行制冷，熱端通過散熱器、風冷或水冷的方式進行散熱。

所述溫度測量模塊包括：依次連接的溫度傳感器和測溫電路；其中：所述溫度傳感器為電阻式溫度傳感器、熱電偶或熱敏電阻；測溫電路為橋式測溫電路、恒流源式測溫電路或集成式測溫芯片。

一種用于熱電制冷器的高功率低干擾驅(qū)動方法，基于前述的裝置實現(xiàn)，其過程如下：

上位機向MCU控制器發(fā)送目標溫度數(shù)據(jù)、PID參數(shù)以及開始工作指令，并獲取和顯示溫度測量模塊發(fā)送給MCU控制器的TEC模塊的溫度數(shù)據(jù)；

MCU控制器根據(jù)上位機設定的目標溫度，以及由溫度測量模塊檢測得到的TEC模塊的制冷溫度，在片內(nèi)實現(xiàn)PID算法，根據(jù)PID算法的結果計算需要輸出的功率值，并據(jù)此功率值輸出一個功率控制電壓；

具有輸入跟隨功能的壓控直流輸出功率驅(qū)動電路對MCU控制器輸出的功率控制電壓進行跟隨，輸出一個電壓與輸入?yún)⒖茧妷撼杀壤尿?qū)動電壓信號，再通過噪聲處理模塊進行濾波后，作為低噪聲的驅(qū)動信號對TEC模塊進行直接驅(qū)動；

TEC模塊溫度的變換由溫度測量模塊采集，并反饋到MCU控制器中，MCU控制器按一定的頻率重復進行PID運算，并根據(jù)PID運算結果，對控制電壓信號進行不斷的調(diào)節(jié)，進而控制驅(qū)動TEC模塊的功率使TEC模塊的制冷溫度達到目標溫度。

由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，采用數(shù)字PID的方式，同時通過一個電壓可反饋控制的壓控直流輸出功率驅(qū)動電路，產(chǎn)生一個直流的驅(qū)動電壓信號，通過控制電平信號對此壓控直流輸出功率驅(qū)動電路進行控制，最終再經(jīng)過噪聲處理模塊，產(chǎn)生一個低噪聲干擾的直流功率驅(qū)動信號，對TEC模塊進行驅(qū)動，再通過對TEC溫度的檢測，反饋式的數(shù)字PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)高精度低噪聲大功率的TEC驅(qū)動方案。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種用于熱電制冷器的高功率低干擾驅(qū)動裝置的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的MCU控制器的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的壓控直流輸出功率驅(qū)動電路的原理圖。

具體實施方式

下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明實施例提供一種用于熱電制冷器的高功率低干擾驅(qū)動裝置，如圖1所示，其主要包括：上位機、MCU控制器、壓控直流輸出功率驅(qū)動電路、噪聲處理模塊、TEC模塊以及溫度測量模塊；其中，上位機、MCU控制器、壓控直流輸出功率驅(qū)動電路、噪聲處理模塊與TEC模塊依次連接；溫度測量模塊一端連接TEC模塊，另一端連接MCU控制器。

本發(fā)明實施例中，所述上位機可以由計算機及編程控制軟件構成，其通過MCU控制器內(nèi)部的通訊接口模塊實現(xiàn)上位機與過MCU控制進行數(shù)據(jù)通訊。示例性的，上位機內(nèi)置編程軟件可以由VC、VC++、VB、matlab或Labview實現(xiàn)。

本發(fā)明實施例中，所述MCU控制器包括如圖2所示的，PID算法模塊、通訊接口模塊、DAC以及SPI接口；其中，通訊接口模塊實現(xiàn)MCU控制器與上位機的數(shù)據(jù)通訊，SPI接口實現(xiàn)MCU控制器與溫度測量模塊的數(shù)據(jù)通訊，PID算法模塊根據(jù)通訊接口模塊接收的目標溫度數(shù)據(jù)與SPI接口接收的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)字PID計算，獲得需要輸出的功率值；DAC根據(jù)PID算法模塊計算的功率值輸出一個功率控制電壓至壓控直流輸出功率驅(qū)動電路。

本發(fā)明實施例中，所述MCU控制器可以為FPGA、CPLD、單片機、ARM或DSP。通訊接口模塊可以為串口、USB接口、PCI總線、WIFI接口、藍牙接口、或網(wǎng)絡接口。

示例性的，上位機的編程軟件可使用VC++，上位機與MCU控制器的接口使用RS232串行接口，通過RS232串行接口將溫控指標參數(shù)(目標溫度)、PID參數(shù)等發(fā)送到MCU控制器，同時從MCU控制器獲取溫度、TEC電壓電流監(jiān)測等信息并進行顯示。

示例性的，可以采用單片機STM32F103作為MCU控制器。該單片機內(nèi)部集成了RS232串口通訊模塊及12bit DAC模塊，同時通過SPI接口實現(xiàn)與溫度測量模塊中ADS1248芯片的配置和溫度數(shù)據(jù)獲取。單片機內(nèi)部根據(jù)上位機設定的溫度指標參數(shù)、PID參數(shù)及由溫度測量模塊中讀取的溫度數(shù)據(jù)，通過PID算法模塊進行實時數(shù)字PID計算，計算結果換算成控制壓控直流輸出功率驅(qū)動電路的控制電壓值，通過內(nèi)部的12bit DAC模塊產(chǎn)生輸出Vref。

本發(fā)明實施例中，所述壓控直流輸出功率驅(qū)動電路包括：一個DC-DC控制器及其外圍MOSFET和電感電容；DC-DC控制器具有控制電壓輸入和反饋電壓輸入管腳，內(nèi)部通過對控制電壓和反饋電壓的比較，動態(tài)調(diào)整控制外部MOSFET的PWM信號的占空比，MOSFET的輸出經(jīng)過預設的電感電容轉(zhuǎn)換為具有一定紋波的直流信號；再通過將輸出直流信號反饋到DC-DC控制器的反饋電壓輸入管腳，實現(xiàn)輸出電壓對輸入控制電壓的精確跟隨，不受溫度漂移、負載變化等因素的影響。

目前，已有集成此電壓比較和自動動態(tài)調(diào)整PWM信號的DC-DC控制器芯片，比如TI公司的TPS40056。

示例性的，壓控直流輸出功率驅(qū)動電路的原理如圖3所示，其包括：DC-DC控制器、外部的兩個N通道MOSFET Q1、Q2，及電感電容L1、C1，實現(xiàn)輸出一個具有一定紋波的直流功率驅(qū)動信號Vout。同時，Vout通過比例電阻網(wǎng)絡R1和R2的分壓，產(chǎn)生一個反饋電壓信號Vfb，進入該DC-DC控制器的輸入端，與MCU控制器輸出的控制電壓Vref進行比較，動態(tài)調(diào)節(jié)并保持直流輸出功率驅(qū)動信號Vout的電壓穩(wěn)定。

該壓控直流輸出功率驅(qū)動電路的輸出驅(qū)動能力由Vin、MOSFET Q1及DC-DC控制器的轉(zhuǎn)換效率決定。在本實施實例中，Vin可以采用24V供電，MOSFET Q1選擇了導通電阻為13.9毫歐姆最大導通電流51A的IRFZ44Z，經(jīng)過測試該驅(qū)動電路可在Vout為20V，輸出電流為6A，即輸出功率120W的情況下保持穩(wěn)定工作，MOSFET溫度不至于過高。此外，該輸出驅(qū)動信號Vout在經(jīng)過噪聲處理模塊的共模噪聲濾波及差模噪聲濾波之后，經(jīng)測試噪聲低于1mVrms，對探測器及其他電子學系統(tǒng)的噪聲干擾極小。

本發(fā)明實施例中，所述噪聲處理模塊包括：依次連接的共模電感和LC型濾波網(wǎng)絡；其中，共模電感用于濾除壓控直流輸出功率驅(qū)動電路輸出信號中的共模噪聲，LC型濾波網(wǎng)絡用于濾除壓控直流輸出功率驅(qū)動電路輸出信號中的差模噪聲。通過合適的選擇，共模電感和LC型濾波網(wǎng)絡可以通過較大的電壓和電流，并將驅(qū)動電路輸出信號中的噪聲成分很好的濾除。

本發(fā)明實施例中，所述TEC模塊置于密閉或真空腔體內(nèi)，冷端對目標探測器進行制冷，熱端通過散熱器、風冷或水冷的方式進行散熱。

本發(fā)明實施例中，所述溫度測量模塊包括：依次連接的溫度傳感器和測溫電路；其中：所述溫度傳感器為電阻式溫度傳感器、熱電偶或熱敏電阻；測溫電路為橋式測溫電路、恒流源式測溫電路或集成式測溫芯片。示例性的，可以采用低功耗、高集成度的24位溫度測量A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1248作為高精度的測溫電路，通過SPI接口與MCU控制器通訊。

本發(fā)明實施例所提供的裝置，采用了數(shù)字PID控制方案，可避免模擬PID控制方案電路參數(shù)繁瑣、調(diào)試復雜耗時的問題，有效減少電路調(diào)試周期和難度；同時，通過一個電壓可反饋控制的壓控直流輸出功率驅(qū)動電路，產(chǎn)生一個直流的驅(qū)動電壓信號，通過控制電平信號對此壓控直流輸出功率驅(qū)動電路進行控制，輸出的直流驅(qū)動信號經(jīng)過濾波處理之后具有很低的噪聲，對系統(tǒng)的其他敏感電路不易產(chǎn)生影響，特別適用于紅外探測器、科學級CCD探測器或sCMOS探測器的制冷系統(tǒng)。

本發(fā)明另一實施例還提供一種用于熱電制冷器的高功率低干擾驅(qū)動方法，該方法基于前述實施例所提供的裝置實現(xiàn)，其主要過程如下：

上位機向MCU控制器發(fā)送目標溫度數(shù)據(jù)、PID參數(shù)以及開始工作指令，并獲取和顯示溫度測量模塊發(fā)送給MCU控制器的TEC模塊的溫度數(shù)據(jù)；

MCU控制器根據(jù)上位機設定的目標溫度，以及由溫度測量模塊檢測得到的TEC模塊的制冷溫度，在片內(nèi)實現(xiàn)PID算法，根據(jù)PID算法的結果計算需要輸出的功率值，并據(jù)此功率值輸出一個功率控制電壓；

具有輸入跟隨功能的壓控直流輸出功率驅(qū)動電路對MCU控制器輸出的功率控制電壓進行跟隨，輸出一個電壓與輸入?yún)⒖茧妷撼杀壤尿?qū)動電壓信號，再通過噪聲處理模塊進行濾波后，作為低噪聲的驅(qū)動信號對TEC模塊進行直接驅(qū)動；

TEC模塊溫度的變換由溫度測量模塊采集，并反饋到MCU控制器中，MCU控制器按一定的頻率重復進行PID運算，并根據(jù)PID運算結果，對控制電壓信號進行不斷的調(diào)節(jié)，進而控制驅(qū)動TEC模塊的功率使TEC模塊的制冷溫度達到目標溫度。

另外，該方法實施例中所涉及的各個器件在前述的裝置實施例中已經(jīng)進行了詳細的介紹，相關器件的功能及結構可參見前述裝置實施例，故不再贅述。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。