[發明專利]一種提高數字化半導體制冷片溫控輸出電壓分辨率的方法

在審

• 申請號: 202110553372.7
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113206656A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 何發紅
• 申請（專利權）人: 成都業賢科技有限公司
• 主分類號: H03K7/08
• 分類號: H03K7/08;F25B21/02
• 代理公司: 成都其高專利代理事務所(特殊普通合伙) 51244
• 代理人: 廖曾

本發明公開了一種提高數字化半導體制冷片溫控輸出電壓分辨率的方法；具有步驟如下；(1)、確定1個優化的PWM波周期；(2)、溫度采集；(3)、主控進行PID計算；(4)、采用抖動方法計算PWM波的脈寬時鐘數；(5)、根據N_q值的大小對PWM波的周期和脈寬的進行不同的處理；(6)、主控定時器生成PWM波。對于本發明而言；當溫控PID計算結果在0附近時，半橋驅動仍然有輸出，再結合抖動功能，可以實現輸出電壓從正電壓到0再到負電壓，輸出電壓都線性度好、分辨率高，從而實現更高穩定性更高精度的溫控。主控內部的定時器時鐘頻率，半橋驅動芯片死區時間和最短響應脈寬要求對數字溫控的分辨率和穩定性的影響大為降低。

技術領域

本發明涉及數字化的半導體制冷片溫控領域，具體來講涉及的是一種提高數字化半導體制冷片溫控輸出電壓分辨率的方法。

背景技術

當直流電壓被加載到半導體制冷片(TEC)兩個引線上，半導體制冷片內部有電流流過，此時它其中一個表面的熱將被吸收，然后熱量被運送到另外一面釋放。這個過程中，TEC相當于一個“熱泵”，而熱量的轉移會導致溫度的變化，因此半導體制冷片可以用來控溫。當直流電壓的方向改變時，半導體制冷片TEC內部的電流方向也會改變，熱量流動的方向也隨之改變，因此半導體制冷片TEC既可以加熱也可以致冷，實現雙向溫控。

數字化的半導體制冷片溫控利用了半導體制冷片的該項特性，通過改變加載在TEC兩個引線上的電壓，實現小體積、方便易用的溫度控制。數字化半導體制冷片溫控主要由主控，溫度采集模塊，功率級模塊，半導體制冷片及其它附件組成。選擇微處理器(MCU，單片機)作為主控；溫度采集模塊可以由主控內置的ADC或使用外置的ADC實現；單向溫控的功率級為1個半橋降壓模塊HB1，雙向溫控的功率級則由兩個半橋降壓模塊HB1和HB2組成。

半橋降壓模塊HB核心部分由以下部件組成：1個半橋功率管驅動器，高側和低側兩個功率管組成的功率管半橋，電感電容組成的LC濾波器。半橋功率管驅動器根據輸入的PWM波驅動半橋高側和低側功率管依次開關完成同步降壓功能，然后LC濾波器濾除半橋輸出的高頻成分，最后輸出紋波很小的直流電壓。最后輸出的直流電壓幅值和輸入的PWM波的占空比(DR_pwm)以及半橋降壓模塊的電源電壓(Vbus)有關，因此主控可以通過控制輸入功率級的PWM波占空比來控制功率級的輸出電壓。一個半橋功率管驅動器需要輸入一組PWM波，一組PWM波可能是單個PWM波，也可能是一對互補的PWM波，根據所選的器件需求確定。

單向溫控中，主控內部定時器生成1組PWM波設為PWM1，PWM1的占空比為DR_pwm1；LC濾波后HB1輸出直流電壓的幅值V_out1＝DR_pwm1*Vbus，把V_out1和電源Vbus的地分別接在半導體制冷片的兩根引線上，則TEC的電壓V_TEC＝V_out1，半導體制冷片中的電流發生單向流動，熱量也單向流動，實現單向溫控。

在雙向溫控中，主控生成兩組PWM波分別為PWM1和PWM2，它們的占空比分別為DR_pwm1和DR_pwm2。LC濾波后HB1輸出直流電壓的幅值V_out1＝DR_pwm1*Vbus，LC濾波后HB2輸出直流電壓的幅值V_out2＝DR_pwm2*Vbus，把V_out1和V_out2接在半導體制冷片兩端，TEC兩端電壓V_TEC＝V_out1-V_out2＝(DR_pwm1-DR_pwm2)*Vbus，因此TEC實際電壓可正可負(取決于PWM1和PWM2的占空比之差)，那么TEC中的電流可以正向流動，也可以反向流動，熱量也如此，所以可實現雙向溫控。

數字溫控的主控算法流程：每隔時間T主控執行一次第2-5步。T是優化選擇的控制間隔時間。