一种半导体致冷器限流控制电路的制作方法

本实用新型属于半导体电路控制领域，更具体地讲，涉及一种半导体致冷器限流控制电路。

背景技术：

半导体致冷器(Thermoelectric Cooler)是一种利用帕耳贴(Peltier)效应进行致冷或加热的半导体器件。这种固态电子器件可以加热或致冷超过环境温度60℃的小型热负荷，控温的稳定性可以达到0.001℃，广泛应用于对温度稳定性要求比较高的半导体激光二极管中。目前大部分商用精密的激光二极管为了尽量避免周围环境对激光二极管控温的稳定性，往往将温度传感器和TEC也集成在激光二极管管芯内部。

由于不同厂家的激光二极管模块内部封装的TEC元件的额定参数不尽相同，且商用的高精度激光二极管模块价格比较昂贵。如果温度控制器的输出电流超过模块内集成的TEC的额定电流，使TEC因为过流而损坏，势必导致整个激光二极管模组不能再正常使用，大大增加了用户的使用风险。目前现有的技术中，只能限定单一的加热和致冷电流值。大部分商用的激光二极管温度控制模块，如Analog Technologies公司的TEC控制器模块，型号为TECA1-XV-XV-D，其最大输出电流为2.5A，且不可调。另外由于TEC在同等电流注入下，制热能力是致冷能力的四倍，为了快速达到热平衡状态，有些场合需要制热的电流小于致冷的电流。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本实用新型的目的之一在于提供一种能够进行加热和致冷电流限制的半导体致冷器电路。

为了实现上述目的，本实用新型的提供了一种半导体致冷器限流控制电路。所述控制电路可以包括半导体致冷器电流调节电路、半导体致冷器电流驱动电路、反向限流保护电路、正向限流保护电路以及限流阈值电压控制电路，其中，所述半导体致冷器电流调节电路的输入端输入电压信号，所述半导体致冷器电路驱动电路、反向限流保护电路与正向限流保护电路三者并联连接形成第一并联网络电路，所述第一并联网络电路的一端与所述半导体致冷器电流调节电路的输出端连接，另一端与所述限流阈值电压控制电路连接，所述限流阈值电压控制电路包括正向限流输入电压线路和反向限流输入电压线路，所述正向限流输入电压线路的一端与所述正向限流保护电路连接，另一端输入正向限流输入电压，所述反向限流输入电压线路的一端与反向限流保护电路连接，另一端输入反向限流电压，所述正向限流输入电压线路与反向限流输入电压线路之间通过一条以上的档位切换线路连接，所述一条以上的档位切换线路一一并联。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述半导体致冷器电流调节电路可以包括第一电阻，所述第一电阻的一端接收电压信号，另一端与所述第一并联网络电路连接。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述半导体致冷器电流驱动电路可以包括第一运放、互补式射极跟随输出器、半导体致冷器、取样电阻、取样电压放大电路以及第二电阻，所述第一运放的同相端与所述半导体致冷器电流调节电路连接，反相端与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与取样电压放大器、半导体致冷器、互补式射极跟随输出器串联后与第一运放的输出端连接，所述取样电阻的一端分别与半导体致冷器和取样电压放大电路连接，另一端接地。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述反向限流保护电路可以包括第一二极管和第二运放，所述第一二极管的阴极端与所述半导体致冷器电流调节电路的输出端连接，阳极端与第二运放的输出端连接，所述第二运放的同相端与所述限流阈值电压控制电路的反向限流电压输入线路连接，反向端分别与所述第二电阻的一端以及正向限流保护电路连接。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述反向限流保护电路还可以包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第二运放反相端连接，另一端与所述第二运放的输出端连接。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述正向限流保护电路可以包括第二二极管和第三运放，所述第二二极管的阳极端分别与所述半导体致冷器电流调节电路的输出端和第一二极管的阴极端连接，第二二极管的阴极端与所述第三运放的输出端连接，所述第三运放的同相端与正向限流电压输入线路连接，反相端分别与所述第二电阻的另一端以及第二运放的反相端连接。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述正向限流保护电路还可以包括第二电容，所述第二电容的一端与所述第三运放的输出端连接，另一端与所述第三运放的反相端连接。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述限流阈值电压控制电路还包括第三电阻、第四电阻、正向限流电压输入端、反向限流电压输入端，所述正向限流电压输入端通过第三电阻与所述第三运放同相端连接，所述正向限流电压输入端与第三电阻组成正向限流输入电压线路，所述反向限流电压输入端通过第四电阻与所述第二运放同相端连接，所述反向限流电压输入端与所述第四电阻组成反向限流输入电压线路。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述档位切换线路可以为两组，第一组档位切换线路包括第五电阻和第一开关，所述第五电阻的一端分别与所述正向限流保护电路连接和所述第三电阻连接，另一端与第一开关的一端连接，第一开关的另一端分别与所述第四电阻和反向限流保护电路连接，第二组关切换线路包括第六电阻和第二开关，所述第六电阻的一端分别与所述正向限流保护电路连接和所述第三电阻连接，另一端与第二开关的一端连接，第二开关的另一端分别与所述第四电阻和反向限流保护电路连接。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述档位切换线路可以为4组。

在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，所述限流阈值电压控制电路还可以包括限流基准电压源、调节电位器、差分比例放大电路和反相比例放大器，所述调节电位器的一端与所述限流基准电压源连接，另一端接地，所述差分比例放大电路的一端与所述调节电位器连接，另一端分别与所述正向限流电压输入端和反相比例放大器连接，所述反向比例放大器的一端分别与所述差分比例放大器和正向电流电压输入端连接，另一端与所述反向限流电压输入端连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：一方面根据本实用新型可以根据选用的半导体致冷器的额定电流参数，简单地通过跳线帽或者拨码开关选择其中一个最大输出电流档位，并且加热和致冷限制电流可以实现不相等，最大限度地保护半导体致冷器不会因为过流而损坏。另一方面，本实用新型的电路结构简单，采用的元件都为分立元件，安装和替换方便，成本低廉。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本实用新型的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本实用新型一个示例性实施例的半导体致冷器电流控制电路示意图。

图2示出了本实用新型的另一个示例性实施例的半导体致冷器电流控制电路示意图。

图3示出了本实用新型的再一个示例性实施例的半导体致冷器电流控制电路示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本实用新型的半导体致冷器电流控制电路。

图1示出了本实用新型一个示例性实施例的半导体致冷器电流控制电路示意图。图2示出了本实用新型的一个示例性实施例的半导体致冷器电流控制电路示意图。图3示出了本实用新型的一个示例性实施例的半导体致冷器电流控制电路示意图。

本实用新型提供了一种半导体致冷器电流控制电路。在本实用新型的半导体致冷器电流控制电路的一个示例性实施例中，如图1所示，所述控制电路可以包括半导体致冷器电流调节电路S100、半导体致冷器电流驱动电路S200、反向限流保护电路S300、正向限流保护电路S400以及限流阈值电压控制电路S500。所述半导体致冷器电流调节电路S100的输入端输入电压信号。所述半导体致冷器电流驱动电路S200、反向限流保护电路S300与正向限流保护电路S400三个电路之间并联连接，并形成了第一并联网络电路。所述第一并联网络电路的一端与半导体致冷器电流调节电路S100的输出端连接，另一端与所述限流阈值电压控制电路S500的一端连接。所述半导体致冷器电流调节电路S100用于调节流过半导体致冷器电流驱动电路S200中的半导体致冷器(TEC)元件的电流大小和方向。所述半导体致冷器电流驱动电路S200可以用于提供TEC元件的加热电流和致冷电流。所述反向限流保护电路S300可以用于接收半导体致冷器电流驱动电路S200中输出的放大电压和限流阈值电压控制电路S500提供的限流阈值电压，并且可以监控流过TEC元件的电流大小和方向。同样的，所述正向限流保护电路S400可以用于接收半导体致冷器电流驱动电路S200中输出的放大电压和限流阈值电压控制电路S500提供的限流阈值电压，可以监控流过TEC元件的电流大小和方向。

所述限流阈值电压控制电路S500可以包括正向限流输入电压线路和反向限流输入电压线路。所述正向限流输入电压线路的一端与所述正向限流保护电路连接，另一端输入正向限流输入电压。所述反向限流输入电压线路的一端与反向限流保护电路连接，另一端输入反向限流输入电压。所述正向限流输入电压线路与反向限流输入电压线路之间通过一条以上的档位切换线路连接。所述每条档位切换线路一一并联。所述限流阈值电压控制电路S500可以为所述反向限流保护电路S300和正向限流保护电路S400提供不同的限流阈值电压。

在本实用新型的一个示例性实施例中，如图2所示，所述半导体致冷器电流调节电路S100可以包括输入端的电压信号V1以及第一电阻R1。电阻R1的一端接收电压信号V1，另一端分别与所述恒流驱动单元、反向限流保护单元和正向限流保护单元连接。

所述半导体致冷器电流驱动电路S200可以包括第一运放U3、互补式射极跟随输出器、半导体致冷器(图2中的TEC)、取样电阻R3、取样电压放大电路以及第二电阻R9。所述第一运放U3的同相端与半导体致冷器电流调节电路S100中电阻R1的一端连接，反相端与第二电阻R9的一端连接。所述第一运放U3的输出端通过互补式射极跟随输入器连接、半导体致冷器以及取样电压放大电路与第二电阻R9的另一端连接。所述第一运放U3、互补式射极跟随输入器、取样电压放大电路以及第二电阻R9形成串联构成负反馈网络。第二电阻R9与取样电压放大电路并联后分别与反向限流保护电路中第二运放U2的反相端、正向限流保护电路中第三运放U1的同相端连接。所述半导体致冷器与所述取样电压放大电路并联后再与所述取样电阻R3的一端连接，取样电阻R3的另一端接地。所述半导体致冷器电流驱动电路S200能够提供所述半导体致冷器的加热限制电流和致冷限制电流。

所述反向限流保护电路S300和正向限流保护电路S400并联连接。所述反向限流保护电路S300的一端与所述半导体致冷器电流调节电路S100连接，另一端分别与所述半导体致冷器电流驱动电路S200和限流阈值电压控制电路S500连接。所述反向限流驱动电路S300可以包括第二运放U2和第一二极管D2。所述第一二极管D2的阴极端分别与所述第一电阻R1、第二二极管D1的阳极端连接，第一二极管D2的阳极端与所述第二运放U2的输出端连接。所述第二运放U2的同相端与所述限流阈值电压控制电路S500连接，反相端与所述第二电阻R9和取样电压放大电路并联后连接，并且与正向限流保护电路中的第三运放U1反相端连接。

所述正向限流保护电路S400的一端与所述半导体致冷器电流调节电路S100连接，另一端分别与所述半导体致冷器电流驱动电路S200和限流阈值电压控制电路S500连接。所述正向限流保护电路与所述反向限流保护电路并联。所述正向限流驱动电路S400可以包括第三运放U1和第二二极管D1。所述第二二极管D1的阳极端分别与所述电阻R1、第一二极管D2的阴极端连接，第二二极管D1的阴极端与所述第三运放U1的输出端连接。所述第三运放U1的同相端与所述限流阈值电压控制电路S500连接，反相端与所述第二电阻R9和取样电压放大电路并联后连接，并且与正向限流保护电路中的第二运放U2反相端连接。

所述限流阈值电压控制电路S500可以包括第三电阻R7、第四电阻R8、一条以上档位切换线路、正向限流电压输入端、反向限流电压输入端。所述第三电阻R7的一端与所述第三运放U1的同相端连接，另一端与所述正向限流电压输入端连接，构成正向限流输入线路。所述第四电阻R8的一端与所述第二运放U2的同相端连接，另一端与所述反向限流电压输入端连接，构成反向限流输入线路。所述正向限流输入线路与所述反向限流输入线路之间通过一条以上档位切换线路连接，所述一条以上档位切换线路可以构成并联电阻开关网络。

在本示例中，优选的，所述互补式射极跟随输出器可以为达林顿NPN管和PNP管共集连接或者NMOS管和PMOS管共漏连接，且所述两种连接均为正负电源供电。当然，本实用新型的互补式射极跟随输出器不限于此。

在本示例中，所述反向限流保护电路还可以包括第一电容C2。所述第一电容C2的一端与所述第二运放U2反相端连接，另一端与所述第二运放U2的输出端连接，即所述电容C2跨接在所述运放U2的输出端和反相端之间。当然，在本实用新型的反向限流保护电路中，可以有电容，也可以没有电容。

在本示例中，所述正向限流保护电路还可以包括第二电容C1。所述第二电容C1的一端与所述第三运放U1的输出端连接，另一端与所述第三运放U1的反相端连接，即所述电容C2跨接在所述运放U2的输出端和反相端之间。当然，在本实用新型的正向限流保护电路中，可以有电容，也可以没有电容。

在本示例中，所述正向限流电压输入端输入的电压为正电压值，所述反向限流电压输入端输入的电压为负电压值。例如，如图2所示，所述正向限流电压输入端输入的为正向限流输入电压VP，为正电压值。反向限流电压输入端输入的为反向限流输入电压VN，为负电压值。当正向限制电流与反向限制电流相等时，则所述正电压的绝对值与所述负电压的绝对值相等。当正向限制电流和反向限制电流不相等时，则所述正电压的绝对值与所述负电压值的绝对值不相等。同样的，意味着当正电压的绝对值如果和负电压的绝对值相等，则加热限制电流和致冷限制电流相等。如果正电压的绝对值和负电压的绝对值不相等，则加热限制电流和致冷限制电流不相等。

在本示例中，所述并联电阻开关网络包括1条以上的档位切换线路。所述档位切换线路均由电阻和开关连接组成。所述档位切换线路的一端分别与所述第三电阻和第三运放同相端连接，另一端分别于所述第四电阻和第二运放同相端连接。例如，如图2所示，所述并联电阻开关网络包括2条档位切换线路。所述第一条档位切换线路包括电阻R4和开关S1。所述第二条档位切换线路包括电阻R5和开关S2。所述的开关可以是跳线帽、拨码开关、按键或者其他任意具有通断功能的电子元件。

在本示例中，所述取样电压放大电路可以为同相比例放大电路、差分比例放大电路或者仪表运放。

以上，将结合上述描述和图2对本实用新型的电路做进一步的描述。当限流阈值电压控制电路S500中，二个开关按键(S1、S2)中的任意一个或者一个以上闭合时，在正向限流电压VP(正电压)和反向限流电压VN(负电压)的作用下，形成一个分压电阻网络，从分压电阻网络中输出两路电压值VP(th)和VN(th)。电压值VP(th)和正向限流保护电路中运放U1的同相端连接，VN(th)和反向限流保护电路中的运放U2同相端连接，作为限流保护阈值电压。

当半导体致冷器电流调节电路S100中的输入电压V1从0开始逐渐增加，流过半导体致冷器(TEC)的正向电流开始增加，取样电阻R3两端的取样放大电压也开始增加，但此时其电压值小于正向限流保护电路中的正向限流阈值VP(th)，大于反向限流阈值VN(th)。运放U1输出端为高电压，运放U2输出低电压，在二极管D2和D1的隔离下，运放U3的同相端电压不会受到影响。当R3取样放大电压大于正向限流保护电路(4)中的正向阈值电压VP(th)时，在电容C1作用下，运放U1的输出信号逐渐降低，二极管D1将会导通，运放U3的同相端电压拉低，将TEC的输出电流钳制在最大正向电流附近。

当半导体致冷器电流调节电路S100中的输入电压信号从0开始逐渐变为负值，流过半导体致冷器(TEC)的反向电流开始增加，R3取样放大电压小于正向限流保护电路中的正向阈值电压值VP(th)，大于反向阈值电压值VN(th)。运放输出端U1为高电压，运放U2为最大输出负电压，在二极管D2和D1的隔离下，输入电压信号电平不会受到影响。当R3取样放大电压小于反向阈值VN(th)中时，在电容C2作用下，运放U2的输出信号开始逐渐增加，二极管D2会导通，将运放U3的同相端电压逐渐往零电压方向拉高，将TEC的输出电流钳制在最大反向电流附近。

当输入正向阈值电压VP(th)和反向限流阈值VN(th)(负电压)，大小相等，方向相反，且电阻R7和R8阻值相等时，最大正向限流和最大反向限流值相等，否则最大正向限流和反向限流值不相等。

为了更好地理解本实用新型的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

如图3所示，设置流过TEC的加热和制冷电流大小为±3A以内，取样电阻为大功率的黄金铝壳电阻，电阻值为0.1Ω。所述取样电压放大电路为放大倍数10倍的同相比例放大电路。互补型射极跟随输出器采用大功率达林顿NPN管TIP142(如图3中的Q1所示)和PNP管TIP147(如图3中的Q2所示)，最大输出电流可以达到10A。其中，电阻R2的目的在于可以为达林顿管NPN或者PNP提供基极电流。所述半导体致冷器电流驱动电路S200输入电压V1与流过TEC电流关系调整为1A/V。

所述的限流阈值电压控制电路S500包括电阻R7、一条以上的档位切换线路、电阻R8、正向限流输入电压VP、反向限流输入电压VN。所述档位切换线路确定为2条。第一条档位切换线路(由电阻R4和开关S1串联组成)与第二条档位切换线路(由电阻R5和开关S2串联组成)并联连接。限流基准电压源可以为电源电压，也可以为集成基准源。在本实施例中的基准选用的是LM336，基准电压2.5V，调节电位器R16的中间抽头电压，到输出为1.5V。差分比例放大电路由运放U4、电阻R10、电阻R12、电阻R11和电阻R13组成，放大倍数为2。差分比例放大电路输出电压经过由运放U5、电阻R14和电阻R15组成的反相比例放大器后为电阻开关网络提供反向限流输入电压VN。本实施例中反相比例放大倍数为1。即：

VP＝|VN|＝3V (1)

R7、R8、与2组电阻开关(R4、S1；R5、S2)形成串并联关系，可以为反向限流保护电路和正向限流保护电路提供不同的阈值电压。正向阈值电压VP(th)和反向阈值电压VN(th)关系式如下：其中RX中的x＝4或者5。

例如，

(1)、当加热和制冷电流相等时，取R7＝R8＝10K，如果

A.电流限制为±3A，R4、R5不接；

B.电流限制为±2A，R4＝40KΩ；

C.电流限制为±1A，R5＝10KΩ；

D.电流限制为±0.85A，R5和R4都连通。

(2)、当加热和制冷电流不相等时，且正向电流大于反向电流，取R7＝10K、R8＝20K。如果

IP＝2A，IN＝-1A，则R4＝30KΩ。

当C1＝C2＝0.01μF，电流限制为±2A时，R4取值为40KΩ。

限流阈值电压控制电路(5)中的VP(th)＝|VN(th)|＝2V。

进一步，当半导体致冷器电流调节电路中的输入电压V1从0开始逐渐增加超过2V。R3取样放大电压大于正向限流保护电路中的正向阈值电压值VP(th)。在电容C1作用下，运放U1的输出信号由最初的高电压逐渐降低，直到V1电压大于U1的输出信号，且电压只差超过0.7V。二极管D1将会导通，将输入到运放U3同相端电压拉低，TEC的输出电流钳制在最大正向电流附近。

当半导体致冷器电流调节电路中的输入电压V1从0开始逐渐变为负值，且值小于-2V时，R3取样放大电压小于正向限流保护电路中的正向阈值电压值VP(th)，大于反向阈值VN(th)，运放输出端U1为高电压，运放U2为最大输出负电压。在二极管D2和D1的隔离下，输入电压信号电平不会受到影响。当R3取样放大电压小于反向阈值VN(th)中时，在电容C2作用下，运放U2的输出信号开始逐渐增加，二极管D2会导通，将输入电压信号逐渐往零电压方向拉高，将TEC的输出电流钳制在最大反向电流附近。

综上所述，本实用新型能够实现用户根据选用的半导体致冷器的额定电流参数，简单地通过跳线帽或者拨码开关选择其中一个最大输出电流档位，并且加热和致冷限制电流可以实现不相等，最大限度地保护半导体致冷器不会因为过流而损坏。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本实用新型的示例性实施例进行各种修改和改变。