一种半导体制冷器驱动装置的制作方法

本发明属于温度控制领域，具体涉及一种半导体制冷器驱动装置。

背景技术：

1、半导体制冷器tec，集成在单光子探测器内部(x射线探测器、apd探测器、激光器等)，通过低温制冷降低热噪声，是实现x射线单光子能谱探测的核心与关键。tec专用驱动芯片，集成pwm控制器和电源驱动器，集成度高，转换效率高，但pwm开关信号噪声大，对单光子探测器形成干扰，导致暗计数噪声增大。此外工业级tec驱动芯片采用塑封封装，质保报废率高，无法满足宇航型号产品设计要求。

2、现有大多温度控制电路，采用的是pwm功率驱动器实现制冷器驱动。但该方法主要存在以下问题：

3、(1)噪声大，影响传感器微弱信号探测。

4、(2)pwm功率驱动器的最大输出电压为固定值，无法通过调节外围电路参数改变输出电压，无法与半导体热电制冷器的参数相匹配。

5、此外，现有温度控制电路采用的是线性电流源驱动器，噪声小，转换效率低，热耗大，不利于半导体制冷器系统的散热设计。

6、国开启科量子技术(北京)有限公司公布一种单光子探测器tec温度控制方法，通过数字pid驱动dac产生调节电压，并在串联电阻后连接到电源芯片的反馈引脚。但该方法主要存在以下问题：

7、(1)dac上电默认值及输出阻抗影响电压调节网络，导致制冷器驱动电压出现毛刺，损伤制冷器。

8、(2)pid电压串联一个大电阻后连接到电源芯片的反馈引脚，串联电阻的阻值远大于电压调节电阻，导致制冷器驱动电压变化范围小，影响制冷温度调节范围。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服以上缺点，提供一种半导体制冷器驱动装置，解决制冷器驱动电压变化范围小，环境适应性不佳的问题。

2、本发明的技术方案是：一种半导体制冷器驱动装置，包括：dc-dc转换器、噪声滤波网络、电压调节网络、pid调节电路、半导体制冷器和测温元件；pid调节电路根据测温元件实测温度值以及设置的目标温度值差异，产生调节信号vpid，再经电压调节电阻r1后发送给dc-dc转换器和反馈电阻rf，经过dc-dc转换器转换后发送给噪声滤波器网络，经过噪声滤波网络滤波后发送给半导体制冷器进行制冷。

3、所述dc-dc转换器具有抗单粒子和耐辐照特性，实现从输入vin到输出vout的半导体制冷器工作电压的转换，采用宇航级基于电感电流连续模式的低纹波dc-dc转换器，器件等级为宇航级。

4、所述噪声滤波网络包括电感l1和电容c1，构成lc滤波网络，实现对电压vout的噪声滤波，滤波后输出低噪声的驱动电压vtec；电感l1一端与dc-dc转换器输出vout相连，另一端与电阻rf一端以及电容c1一端相连，电容c1另一端接地。

5、所述电压调节网络包括反馈电阻rf和电压调节电阻r1，反馈电阻rf一端分别与电感l1和电容c1相连，另一端与电压调节电阻r1、dc-dc转换器的vfb相连；电压调节电阻r1一端与反馈电阻rf、dc-dc转换器的参考电压端vfb相连，另一端与pid调节网络的输出vpid相连。

6、所述电压调节网络根据调节信号vpid调节驱动电压vtec，实现对dc-dc转换器输出电压的调节，并设置输出电压的上限，实现与半导体制冷器最大制冷电压参数相匹配。

7、所述pid调节电路，实现按照设置的温度值和测温元件实测的温度值之间差异产生调节信号vpid，pid调节电路输出连接到电压调节电阻r1的一端，电压调节电阻r1的另一端与dc-dc转换器的参考电压端vref相连，从而调节dc-dc转换器的输出电压vtec，即半导体制冷器的制冷驱动电压。

8、所述调节信号vpid与电压调节电阻r1直接相连，工作在电压驱动模式。

9、本发明与现有技术相比的优点在于：

10、(1)pid调节电路输出的pid电压，直接与dc-dc转换器的电压调节电阻相连，增大了dc-dc转换器输出电压变化范围，增加了制冷温度调节范围，环境适应性更好。

11、(2)dc-dc转换器，避免采用工业级芯片，而是采用宇航级基于电感电流连续模式的低纹波dc-dc转换器，器件等级为宇航级，效率高、噪声低且具有抗单粒子和耐辐照特性，满足宇航应用要求。

技术特征：

1.一种半导体制冷器驱动装置，其特征在于，包括：dc-dc转换器、噪声滤波网络、电压调节网络、pid调节电路、半导体制冷器和测温元件；pid调节电路根据测温元件实测温度值以及设置的目标温度值差异，产生调节信号vpid，再经电压调节电阻r1后发送给dc-dc转换器和反馈电阻rf，经过dc-dc转换器转换后发送给噪声滤波器网络，经过噪声滤波网络滤波后发送给半导体制冷器进行制冷。

2.根据权利要求1所述的一种半导体制冷器驱动装置，其特征在于，所述dc-dc转换器具有抗单粒子和耐辐照特性，实现从输入vin到输出vout的半导体制冷器工作电压的转换，采用宇航级基于电感电流连续模式的低纹波dc-dc转换器，器件等级为宇航级。

3.根据权利要求2所述的一种半导体制冷器驱动装置，其特征在于，所述噪声滤波网络包括电感l1和电容c1，构成lc滤波网络，实现对电压vout的噪声滤波，滤波后输出低噪声的驱动电压vtec；电感l1一端与dc-dc转换器输出vout相连，另一端与电阻rf一端以及电容c1一端相连，电容c1另一端接地。

4.根据权利要求3所述的一种半导体制冷器驱动装置，其特征在于，所述电压调节网络包括反馈电阻rf和电压调节电阻r1，反馈电阻rf一端分别与电感l1和电容c1相连，另一端与电压调节电阻r1、dc-dc转换器的vfb相连；电压调节电阻r1一端与反馈电阻rf、dc-dc转换器的参考电压端vfb相连，另一端与pid调节网络的输出vpid相连。

5.根据权利要求4所述的一种半导体制冷器驱动装置，其特征在于，所述电压调节网络根据调节信号vpid调节驱动电压vtec，实现对dc-dc转换器输出电压的调节，并设置输出电压的上限，实现与半导体制冷器最大制冷电压参数相匹配。

6.根据权利要求4所述的一种半导体制冷器驱动装置，其特征在于，所述pid调节电路，实现按照设置的温度值和测温元件实测的温度值之间差异产生调节信号vpid，pid调节电路输出连接到电压调节电阻r1的一端，电压调节电阻r1的另一端与dc-dc转换器的参考电压端vref相连，从而调节dc-dc转换器的输出电压vtec，即半导体制冷器的制冷驱动电压。

7.根据权利要求6所述的一种半导体制冷器驱动装置，其特征在于，所述调节信号vpid与电压调节电阻r1直接相连，工作在电压驱动模式。

技术总结
一种半导体制冷器驱动装置，包括DC‑DC转换器、电感L<subgt;1</subgt;、电容C<subgt;1</subgt;组成的噪声滤波网络、反馈电阻R<subgt;f</subgt;和增益调节电阻R<subgt;1</subgt;组成的电压调节网络、PID调节电路、半导体制冷器和测温元件。本发明DC‑DC转换器，避免采用工业级芯片，而是采用宇航级基于电感电流连续模式的低纹波DC‑DC转换器，器件等级为宇航级，效率高、噪声低且具有抗单粒子和耐辐照特性，满足宇航应用要求，具有制冷温度范围宽，环境适应性的特点。

技术研发人员：陈建武,梅志武,张海力,盖芳钦,石永强,汤子坡,付伟纯,郑然,赵春晖,王立
受保护的技术使用者：北京控制工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22