一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法与流程

本发明涉及数字化的半导体制冷片温控领域，具体来讲涉及的是一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法。

背景技术：

当直流电压被加载到半导体制冷片(tec)两个引线上，半导体制冷片内部有电流流过，此时它其中一个表面的热将被吸收，然后热量被运送到另外一面释放。这个过程中，tec相当于一个“热泵”，而热量的转移会导致温度的变化，因此半导体制冷片可以用来控温。当直流电压的方向改变时，半导体制冷片tec内部的电流方向也会改变，热量流动的方向也随之改变，因此半导体制冷片tec既可以加热也可以致冷，实现双向温控。

数字化的半导体制冷片温控利用了半导体制冷片的该项特性，通过改变加载在tec两个引线上的电压，实现小体积、方便易用的温度控制。数字化半导体制冷片温控主要由主控，温度采集模块，功率级模块，半导体制冷片及其它附件组成。选择微处理器(mcu，单片机)作为主控；温度采集模块可以由主控内置的adc或使用外置的adc实现；单向温控的功率级为1个半桥降压模块hb1，双向温控的功率级则由两个半桥降压模块hb1和hb2组成。

半桥降压模块hb核心部分由以下部件组成：1个半桥功率管驱动器，高侧和低侧两个功率管组成的功率管半桥，电感电容组成的lc滤波器。半桥功率管驱动器根据输入的pwm波驱动半桥高侧和低侧功率管依次开关完成同步降压功能，然后lc滤波器滤除半桥输出的高频成分，最后输出纹波很小的直流电压。最后输出的直流电压幅值和输入的pwm波的占空比(drpwm)以及半桥降压模块的电源电压(vbus)有关，因此主控可以通过控制输入功率级的pwm波占空比来控制功率级的输出电压。一个半桥功率管驱动器需要输入一组pwm波，一组pwm波可能是单个pwm波，也可能是一对互补的pwm波，根据所选的器件需求确定。

单向温控中，主控内部定时器生成1组pwm波设为pwm1，pwm1的占空比为drpwm1；lc滤波后hb1输出直流电压的幅值vout1＝drpwm1*vbus，把vout1和电源vbus的地分别接在半导体制冷片的两根引线上，则tec的电压vtec＝vout1，半导体制冷片中的电流发生单向流动，热量也单向流动，实现单向温控。

在双向温控中，主控生成两组pwm波分别为pwm1和pwm2，它们的占空比分别为drpwm1和drpwm2。lc滤波后hb1输出直流电压的幅值vout1＝drpwm1*vbus，lc滤波后hb2输出直流电压的幅值vout2＝drpwm2*vbus，把vout1和vout2接在半导体制冷片两端，tec两端电压vtec＝vout1-vout2＝(drpwm1-drpwm2)*vbus，因此tec实际电压可正可负(取决于pwm1和pwm2的占空比之差)，那么tec中的电流可以正向流动，也可以反向流动，热量也如此，所以可实现双向温控。

数字温控的主控算法流程：每隔时间t主控执行一次第2-5步。t是优化选择的控制间隔时间。

1.确定1个pwm波周期。设主控内部定时器的时钟频率ftim，定时器时钟周期为tclk,生成的pwm波的周期tpwm＝m*tclk，pwm波的脉宽wpwm＝n*tclk，pwm波的占空比drpwm＝n/m，pwm波的频率fpwm＝ftim/m。m表示pwm波的周期与定时器时钟周期tclk的倍数，我们简称m为周期时钟倍数，n表示pwm波的脉宽与定时器时钟周期tclk的倍数，我们简称n为脉宽时钟倍数，算法流程里需要计算出n和m的具体值才能够正确设定pwm波。pwm波的频率fpwm通常选在几十khz到数mhz之间，再根据电感电容参数等其它系统情况可以确定pwm波周期tpwm进而确定m，所以通常情况下m值是个固定值。

2.温度采集：主控通过温度采集模块获得被温控物体实际温度。

3.主控进行pid计算：主控根据温控的目标温度计算温差，采用pid或类似算法计算出期望的tec驱动电压，然后计算出期望的占空比drpid(drpid＝期望tec驱动电压/vbus)；双向温控中，drpid可正可负，为-1至1之间的小数。

4.计算pwm波的脉宽：因为pwm波的周期是个固定值，这里仅需要计算脉宽参数里n的值。用m1、m2分别表示pwm1波和pwm2波的周期时钟倍数，用n1、n2分别表示pwm1波和pwm2波的脉宽时钟倍数。

单向温控中，pwm1波的m1＝m，期望输出电压方向和温控方向一致时，pwm1波的n1＝wpwm1/tclk＝|drpid|*m，方向不一致时，n1＝0，关闭输出；

双向温控中，m1＝m2＝m，当drpid＝0时，n1＝0，n2＝0；当drpid>0时，n1＝drpid*m，n2＝0；当drpid<0时，n1＝0，n2＝|drpid|*m。

5.主控定时器生成pwm波。主控根据计算出来的n1、m1、n2、m2值设置定时器，生成并输出pwm波。pwm波输入到功率级以后，功率级转换为期望的直流电压驱动tec。

问题1：发生在计算pwm波脉宽的过程中；pwm波是通过主控内部的定时器模块生成的，因此pwm波的周期和脉冲宽度都是定时器时钟周期tclk的整数倍。虽然pid计算出来的占空比drpid是连续变化的小数，但n和m都是有限的整数，所以计算脉冲宽度n＝drpid*m的过程中丢失了drpid的部分精度，分辨率降低。比如设x为1个小于m的正整数，当|drpid|＝x/m时，n＝x，当|drpid|＝(x+1)/m时，n＝x+1,但是当x/m<|drpid|<(x+1)/m时,即使drpid发生了变化，n计算出来仍然只能等于x或者x+1。pwm波的占空比变化不连续导致降压模块输出的电压和半导体制冷片上的电压变化也不连续，电压分辨率受限，影响温控精度，尤其当主控定时器的时钟频率不高时，影响更大。

问题2：发生在功率级根据输入的pwm波信号输出直流电压的过程中；功率级为了防止高低侧功率管直通烧毁，在高低功率管依次打开关闭之间应有1个短暂的死区时间，同时半桥驱动器有1个最小的响应pwm脉宽。因此当pwm波的占空比很小时，半桥降压模块由于响应能力或死区时间等原因，半桥驱动模块不会有输出，实际上使得这个区域的输出电压分辨率变差。这对温控是不利的，尤其是双向温控中，会造成正负电压切换时(即零电压)附近出现电压不连续的情况，这会对温控的稳定性和精度造成影响。

技术实现要素：

因此，本发明在此提供一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法；主控内部的定时器时钟频率，半桥驱动芯片死区和最短响应脉宽要求对数字温控的分辨率和稳定性的影响大为降低。

本发明是这样实现的，构造一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法，其特征在于；每隔时间t主控执行一次第2步和第3步；在每个t时间内部，每隔t/q时间主控执行一次第4-6步；具有步骤如下；

(1)、确定1个优化的pwm波周期。根据电感电容参数、输出电压纹波要求等其它系统综合情况确定1个优化的pwm波周期tpwm进而确定m。

(2)、温度采集：主控通过温度采集模块获得被温控物体实际温度；

(3)、主控进行pid计算：根据温控的目标温度计算温差，采用pid或类似算法计算出期望的tec驱动电压，然后计算出期望的占空比drpid(drpid＝期望tec驱动电压/vbus)；双向温控中，drpid可正可负，为-1至1之间的小数；

(4)、采用抖动方法计算pwm波的脉宽时钟数：把控制间隔时间t再分成q个时间段，每个时间段里pwm波的脉冲时钟倍数都采用抖动方法重新计算一次，计算结果用nq表示；

(5)、根据nq值的大小对pwm波的周期和脉宽的进行不同的处理：首先确定1个合理的低占空比判断阈值，然后根据nq和阈值的相对大小关系，对pwm波的脉宽时钟倍数和周期时钟倍数进行不同的处理。

(6)、主控定时器生成pwm波：根据前述计算结果设置定时器，生成pwm波。pwm波输入到功率级以后，功率级转换为期望的直流电压驱动tec。

根据本发明所述一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法，其特征在于；步骤4中，第q个时间段里计算流程如下：

a、对(drpid*m)的乘积结果向下取整得到nq，因为drpid可正可负，所以nq值可正可负；

b、累计误差，本时间段的误差和errsumq＝errsumq-1+(drpid–nq/m)；errsumq-1代表上一个时间段的误差和；

c、抖动判断，如果errsumq≥1，nq＝nq+1，errsumq＝errsumq-1；

d、把nq传给步骤5，同时把errsumq存储起来下一个时间段计算时使用。

根据本发明所述一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法，其特征在于；步骤5中，第q个时间段里处理方法如下：

设因为死区时间和最短响应脉宽影响，当pwm波的脉冲宽度小于k个时钟周期时，半桥降压模块无输出，当脉冲宽度≥k个时钟周期时，半桥降压模块有输出，那么可以确定1个阈值k，要求k≥k，通常选取k＝k，k为正整数；用m1、m2分别表示pwm1波和pwm2波的周期时钟倍数，用n1、n2分别表示pwm1波和pwm2波的脉宽时钟倍数；

当|nq|≥k时，pwm波的周期时钟数固定；单向温控中，期望输出电压方向和温控方向一致时，n1＝|nq|，m1＝m，方向不一致时，n1＝0，m1＝m，关闭输出；双向温控中，m1＝m2＝m，当nq≥k时，n1＝nq，n2＝0，当nq≤-k时，n1＝0，n2＝|nq|(这里nq为可能为负整数，所以取绝对值)；

当0<|nq|<k时，pwm波的脉冲宽度时钟倍数固定为k，pwm波的周期时钟数变为k/nq*m，即为原来的k/nq倍。单向温控中，期望输出电压方向和温控方向一致时，n1＝k，m1＝k/nq*m，方向不一致时，n1＝0，m1＝m或n＝k/nq*m，关闭输出；双向温控中，m1＝m2＝k/nq*m，当nq>0时，n1＝k，n2＝0，当nq<0时，n1＝0，n2＝k；

当|nq|＝0时,pwm波的周期时钟倍数m1和m2可以等于任意非0值，一般设置m1＝m2＝m或m1＝m2＝k*m，脉宽周期时钟倍数n1＝n2＝0。

本发明具有如下优点：本发明通过改进在此提供一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法；当温控pid计算结果在0附近时，半桥驱动仍然有输出，再结合抖动功能，可以实现输出电压从正电压到0再到负电压，输出电压都线性度好、分辨率高，从而实现更高稳定性更高精度的温控。主控内部的定时器时钟频率，半桥驱动芯片死区时间和最短响应脉宽要求对数字温控的分辨率和稳定性的影响大为降低。

附图说明

图1是温控系统图；

图2是简化的温控流程示意图；

图3是改进后的主控算法流程示意图；

图4是直接把pid计算的占空比转成pwm波时，pwm波输出占空比不连续的示意图；

图5是半桥降压模块零点附近没有电压输出示意图(pwm波周期固定为m个时钟宽度，仅通过脉宽宽度变化实现不同的占空比；当pwm波的脉冲宽度小于k个时钟宽度时，半桥降压模块没有电压输出)；

图6是半桥降压模块零点附近也有输出的示意图(低占空比时，通过增长pwm波的周期，脉宽宽度固定为k个时钟宽度，实现了占空比正确，半桥降压模块也有输出)；

图7是增加抖动后对于温控物体而言的等效电压情况示意图，电压分辨率变高，线性度变好。

具体实施方式

下面将结合附图1-图7对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进在此提供一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法；数字化半导体制冷片温控主要由主控，温度采集模块，功率级模块，半导体制冷片及其它附件组成。选择微处理器(mcu，单片机)作为主控；温度采集模块可以由主控内置的adc或使用外置的adc实现；单向温控的功率级为1个半桥降压模块hb1，双向温控的功率级则由两个半桥降压模块hb1和hb2组成。

半桥降压模块hb核心部分由以下部件组成：1个半桥功率管驱动器，高侧和低侧两个功率管组成的功率管半桥，电感电容组成的lc滤波器。半桥功率管驱动器根据输入的pwm波驱动半桥高侧和低侧功率管依次开关完成同步降压功能，然后lc滤波器滤除半桥输出的高频成分，最后输出纹波很小的直流电压。最后输出的直流电压幅值和输入的pwm波的占空比(drpwm)以及半桥降压模块的电源电压(vbus)有关，因此主控可以通过控制输入功率级的pwm波占空比来控制功率级的输出电压。一个半桥功率管驱动器需要输入一组pwm波，一组pwm波可能是单个pwm波，也可能是一对互补的pwm波，根据所选的器件需求确定。

单向温控中，主控内部定时器生成1组pwm波设为pwm1，pwm1的占空比为drpwm1；lc滤波后hb1输出直流电压的幅值vout1＝drpwm1*vbus，把vout1和电源vbus的地分别接在半导体制冷片的两根引线上，则tec的电压vtec＝vout1，半导体制冷片中的电流发生单向流动，热量也单向流动，实现单向温控。

在双向温控中，主控生成两组pwm波分别为pwm1和pwm2，它们的占空比分别为drpwm1和drpwm2。lc滤波后hb1输出直流电压的幅值vout1＝drpwm1*vbus，lc滤波后hb2输出直流电压的幅值vout2＝drpwm2*vbus，把vout1和vout2接在半导体制冷片两端，tec两端电压vtec＝vout1-vout2＝(drpwm1-drpwm2)*vbus，因此tec实际电压可正可负(取决于pwm1和pwm2的占空比之差)，那么tec中的电流可以正向流动，也可以反向流动，热量也如此，所以可实现双向温控。

主控计算流程如下；每隔时间t主控执行一次第2步和第3步；在每个t时间内部，每隔t/q时间主控执行一次第4-6步；

(1)、确定1个优化的pwm波周期：根据电感电容参数、输出电压纹波要求等其它系统综合情况确定1个优化的pwm波周期tpwm进而确定m。

(2)、温度采集：主控通过温度采集模块获得被温控物体实际温度；

(3)、主控进行pid计算：根据温控的目标温度计算温差，采用pid或类似算法计算出期望的tec驱动电压，然后计算出期望的占空比drpid(drpid＝期望tec驱动电压/vbus)；双向温控中，drpid可正可负，为-1至1之间的小数；

(4)、采用抖动方法计算pwm波的脉宽时钟数：把控制间隔时间t再分成q个时间段，每个时间段里pwm波的脉冲时钟倍数都采用抖动方法重新计算一次，计算结果用nq表示；第q个时间段里计算流程如下：

a、对(drpid*m)的乘积结果向下取整得到nq，因为drpid可正可负，所以nq值可正可负；

b、累计误差，本时间段的误差和errsumq＝errsumq-1+(drpid–nq/m)；errsumq-1代表上一个时间段的误差和；

c、抖动判断，如果errsumq≥1，nq＝nq+1，errsumq＝errsumq-1；

d、把nq传给步骤5，同时把errsumq存储起来下一个时间段计算时使用。

(5)、根据nq值的大小对pwm波的周期和脉宽的进行不同的处理：首先确定1个合理的低占空比判断阈值，然后根据nq和阈值的相对大小关系，对pwm波的脉宽时钟倍数和周期时钟倍数进行不同的处理。第q个时间段里具体处理方法如下：

设因为死区时间和最短响应脉宽影响，当pwm波的脉冲宽度小于k个时钟周期时，半桥降压模块无输出，当脉冲宽度≥k个时钟周期时，半桥降压模块有输出，那么可以确定1个阈值k，要求k≥k，通常选取k＝k，k为正整数；用m1、m2分别表示pwm1波和pwm2波的周期时钟倍数，用n1、n2分别表示pwm1波和pwm2波的脉宽时钟倍数；

当|nq|≥k时，pwm波的周期时钟数固定；单向温控中，期望输出电压方向和温控方向一致时，n1＝|nq|，m1＝m，方向不一致时，n1＝0，m1＝m，关闭输出；双向温控中，m1＝m2＝m，当nq≥k时，n1＝nq，n2＝0，当nq≤-k时，n1＝0，n2＝|nq|(这里nq为可能为负整数，所以取绝对值)；

当0<|nq|<k时，pwm波的脉冲宽度时钟倍数固定为k，pwm波的周期时钟数变为k/nq*m，即为原来的k/nq倍。单向温控中，期望输出电压方向和温控方向一致时，n1＝k，m1＝k/nq*m，方向不一致时，n1＝0，m1＝m或n＝k/nq*m，关闭输出；双向温控中，m1＝m2＝k/nq*m，当nq>0时，n1＝k，n2＝0，当nq<0时，n1＝0，n2＝k；

当|nq|＝0时,pwm波的周期时钟倍数m1和m2可以等于任意非0值，一般设置m1＝m2＝m或m1＝m2＝k*m，脉宽周期时钟倍数n1＝n2＝0。

(6)、主控定时器生成pwm波：根据前述计算结果设置定时器，生成pwm波。pwm波输入到功率级以后，功率级转换为期望的直流电压驱动tec。

抖动的补充说明，pid占空比drpid的绝对值可以表示为(n+p)/m，p为0-1之间的小数，n和m为整数，对于每个drpid，p都是存在的。如果不采用抖动方法，相当于把p忽略了，所以为了尽量少的丢失转换精度，把t时间分成q份，其中q*p份时间内输出占空比为(n+1)/m的pwm波，q*(1-p)份时间内输出占空比为n/m的pwm波，在t时间内，所有pwm波总的平均占空比为(n+p)/m，实现了pwm波占空比和pid占空比的精确相等。实际实现过程中，由于q值不是一个无限大的值，所以仍然有一定的精度损失，q数值越大，drpid就和pwm波之间的误差就越小。t时间不宜过长，过长会影响温控的控制速度；受限于定时器，q最大值也有限，限制为t/q≥tclk。受限于t和q的取值范围，虽然不能完全消除误差，但是t和q设置合理的情况下，误差会大大小于不采用抖动时的结果，足以不再影响温控器的整体精度和稳定性。增加抖动后，pwm波的占空比是交替抖动变化的，半桥降压模块lc滤波后的输出电压也会出现两个相差很小的电压交替出现的效果，由于被控物体具有一定的热容量，有低通滤波效果，实际起作用的是输出电压的平均值，所以这点短时间内的电压抖动不影响实际温控效果，对于温控物体而言，输出电压的等效变化效果更连续了。

为实现低占空比时，半桥降压模块有输出，我们改变低占空比下pwm波的生成方式。低占空比下，pwm波固定脉冲宽度不变,保持为k个时钟周期，因此半桥降压模块仍然有输出，但pwm波的周期增加为k/nq*m，即为原来的k/nq倍，此时占空比＝脉冲宽度/pwm波周期＝k/(k/nq*m)＝nq/m，从而实现了有输出且占空比跟预想的一致。这种方式会增大pwm波周期，降低pwm波频率，新的pwm波最大周期发生在nq＝1时，即周期最大为k*m个时钟周期；k值通常不大，k值取值合理的情况下pwm波频率仍然足够高，使得lc滤波器后的输出电压纹波不会显著增加，但却克服了低占空比下无输出导致电压不连续的缺点。

本专利具有如下优点及有益效果：当温控pid计算结果在0附近时，半桥驱动仍然有输出，再结合抖动功能，可以实现输出电压从正电压到0再到负电压，输出电压都线性度好、分辨率高，从而实现更高稳定性更高精度的温控。

主控内部定时器的时钟频率，半桥驱动芯片死区时间和最短响应脉宽要求对数字温控的分辨率和稳定性的影响大为降低。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。