一种用于热电制冷器的高功率低干扰驱动方法及装置与流程

本发明涉及半导体热电制冷器(TEC)温度控制驱动领域，尤其涉及一种用于热电制冷器的高功率低干扰驱动方法及装置。

背景技术：

光电探测领域中多使用的是半导体探测器，比如红外探测器、科学级CCD探测器或sCMOS探测器。它们对温度均非常敏感，一般需要进行制冷以降低温度带来的噪声影响。而由于尺寸、适用性和方便性的考虑，很多的半导体探测器的制冷采用了制冷精度高、易于控制的半导体热电制冷模块(TEC)。受探测器尺寸、目标温度的限制，用于半导体探测器的TEC一般要求制冷温度很低，输入功率高达几十瓦到上百瓦。同时TEC模块一般与半导体探测器紧密相接，因此TEC模块的驱动电路部分如果具有较大的噪声，将对极为敏感的半导体探测器带来较大的影响。

目前对TEC的功率驱动主要有数字PID驱动控制和模拟PID驱动控制两种方案。采用数字PID驱动控制的方案大都为通过一个控制器进行数字PID计算，进而通过H电桥产生一组PWM驱动信号，通过调节PWM信号的占空比来控制TEC的驱动功率。这种方式可以实现高精度、高效率的对TEC进行功率驱动，并且对PID的参数可以数字化的方便调节，但是它也具有明显的不足之处：PWM直接驱动方式是产生一种具有占空比的脉冲信号，这种大电流、高频率的PWM信号将对进行微弱信号探测的探测器及其驱动电路带来较为明显的噪声影响，其带来的干扰将很大程度的降低探测器的成像质量。

而采用模拟PID驱动控制的TEC驱动方案，需要通过调节模拟电路来调节PID的参数，这种方式可以不通过PWM的占空比来控制驱动功率，而是通过产生一个可反馈调节的电压信号来控制驱动功率，可以有效的避免PWM脉冲信号带来的噪声影响，但是这种方式也有所缺点：模拟PID驱动方式采用模拟PID反馈控制电路，需要调节模拟电路的参数来改变PID的三个参数，调试过程非常繁琐、耗时，对调节人员的要求也较高，不像数字PID算法可以方便的快速实时调节，因此其适应性、易用性较差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于热电制冷器的高功率低干扰驱动方法及装置，采用数字PID控制方案，驱动信号可提供较大的功率，同时具有很低的噪声，对其他敏感电路不易产生影响，特别适用于红外探测器、科学级CCD探测器或sCMOS探测器的制冷系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于热电制冷器的高功率低干扰驱动装置，包括：上位机、MCU控制器、压控直流输出功率驱动电路、噪声处理模块、TEC模块以及温度测量模块；其中，上位机、MCU控制器、压控直流输出功率驱动电路、噪声处理模块与TEC模块依次连接；温度测量模块一端连接TEC模块，另一端连接MCU控制器。

所述上位机与MCU控制器通过串口、USB接口、PCI总线、WIFI接口、蓝牙接口，或者网络接口进行数据通讯。

所述MCU控制器包括：PID算法模块、通讯接口模块、DAC以及SPI接口；其中，通讯接口模块实现MCU控制器与上位机的数据通讯，SPI接口实现MCU控制器与温度测量模块的数据通讯，PID算法模块根据通讯接口模块接收的目标温度数据与SPI接口接收的温度监测数据进行实时数字PID计算，获得需要输出的功率值；DAC根据PID算法模块计算的功率值输出一个功率控制电压至压控直流输出功率驱动电路。

所述压控直流输出功率驱动电路包括：一个DC-DC控制器及其外围MOSFET和电感电容；DC-DC控制器具有控制电压输入和反馈电压输入管脚，内部通过对控制电压和反馈电压的比较，动态调整控制外部MOSFET的PWM信号的占空比，MOSFET的输出经过预设的电感电容转换为具有一定纹波的直流信号；再通过将输出直流信号反馈到DC-DC控制器的反馈电压输入管脚，实现输出电压对输入控制电压的精确跟随。

所述噪声处理模块包括：依次连接的共模电感和LC型滤波网络；其中，共模电感用于滤除压控直流输出功率驱动电路输出信号中的共模噪声，LC型滤波网络用于滤除压控直流输出功率驱动电路输出信号中的差模噪声。

所述TEC模块置于密闭或真空腔体内，冷端对目标探测器进行制冷，热端通过散热器、风冷或水冷的方式进行散热。

所述温度测量模块包括：依次连接的温度传感器和测温电路；其中：所述温度传感器为电阻式温度传感器、热电偶或热敏电阻；测温电路为桥式测温电路、恒流源式测温电路或集成式测温芯片。

一种用于热电制冷器的高功率低干扰驱动方法，基于前述的装置实现，其过程如下：

上位机向MCU控制器发送目标温度数据、PID参数以及开始工作指令，并获取和显示温度测量模块发送给MCU控制器的TEC模块的温度数据；

MCU控制器根据上位机设定的目标温度，以及由温度测量模块检测得到的TEC模块的制冷温度，在片内实现PID算法，根据PID算法的结果计算需要输出的功率值，并据此功率值输出一个功率控制电压；

具有输入跟随功能的压控直流输出功率驱动电路对MCU控制器输出的功率控制电压进行跟随，输出一个电压与输入参考电压成比例的驱动电压信号，再通过噪声处理模块进行滤波后，作为低噪声的驱动信号对TEC模块进行直接驱动；

TEC模块温度的变换由温度测量模块采集，并反馈到MCU控制器中，MCU控制器按一定的频率重复进行PID运算，并根据PID运算结果，对控制电压信号进行不断的调节，进而控制驱动TEC模块的功率使TEC模块的制冷温度达到目标温度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用数字PID的方式，同时通过一个电压可反馈控制的压控直流输出功率驱动电路，产生一个直流的驱动电压信号，通过控制电平信号对此压控直流输出功率驱动电路进行控制，最终再经过噪声处理模块，产生一个低噪声干扰的直流功率驱动信号，对TEC模块进行驱动，再通过对TEC温度的检测，反馈式的数字PID调节，实现高精度低噪声大功率的TEC驱动方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于热电制冷器的高功率低干扰驱动装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的MCU控制器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的压控直流输出功率驱动电路的原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种用于热电制冷器的高功率低干扰驱动装置，如图1所示，其主要包括：上位机、MCU控制器、压控直流输出功率驱动电路、噪声处理模块、TEC模块以及温度测量模块；其中，上位机、MCU控制器、压控直流输出功率驱动电路、噪声处理模块与TEC模块依次连接；温度测量模块一端连接TEC模块，另一端连接MCU控制器。

本发明实施例中，所述上位机可以由计算机及编程控制软件构成，其通过MCU控制器内部的通讯接口模块实现上位机与过MCU控制进行数据通讯。示例性的，上位机内置编程软件可以由VC、VC++、VB、matlab或Labview实现。

本发明实施例中，所述MCU控制器包括如图2所示的，PID算法模块、通讯接口模块、DAC以及SPI接口；其中，通讯接口模块实现MCU控制器与上位机的数据通讯，SPI接口实现MCU控制器与温度测量模块的数据通讯，PID算法模块根据通讯接口模块接收的目标温度数据与SPI接口接收的温度监测数据进行数字PID计算，获得需要输出的功率值；DAC根据PID算法模块计算的功率值输出一个功率控制电压至压控直流输出功率驱动电路。

本发明实施例中，所述MCU控制器可以为FPGA、CPLD、单片机、ARM或DSP。通讯接口模块可以为串口、USB接口、PCI总线、WIFI接口、蓝牙接口、或网络接口。

示例性的，上位机的编程软件可使用VC++，上位机与MCU控制器的接口使用RS232串行接口，通过RS232串行接口将温控指标参数(目标温度)、PID参数等发送到MCU控制器，同时从MCU控制器获取温度、TEC电压电流监测等信息并进行显示。

示例性的，可以采用单片机STM32F103作为MCU控制器。该单片机内部集成了RS232串口通讯模块及12bit DAC模块，同时通过SPI接口实现与温度测量模块中ADS1248芯片的配置和温度数据获取。单片机内部根据上位机设定的温度指标参数、PID参数及由温度测量模块中读取的温度数据，通过PID算法模块进行实时数字PID计算，计算结果换算成控制压控直流输出功率驱动电路的控制电压值，通过内部的12bit DAC模块产生输出Vref。

本发明实施例中，所述压控直流输出功率驱动电路包括：一个DC-DC控制器及其外围MOSFET和电感电容；DC-DC控制器具有控制电压输入和反馈电压输入管脚，内部通过对控制电压和反馈电压的比较，动态调整控制外部MOSFET的PWM信号的占空比，MOSFET的输出经过预设的电感电容转换为具有一定纹波的直流信号；再通过将输出直流信号反馈到DC-DC控制器的反馈电压输入管脚，实现输出电压对输入控制电压的精确跟随，不受温度漂移、负载变化等因素的影响。

目前，已有集成此电压比较和自动动态调整PWM信号的DC-DC控制器芯片，比如TI公司的TPS40056。

示例性的，压控直流输出功率驱动电路的原理如图3所示，其包括：DC-DC控制器、外部的两个N通道MOSFET Q1、Q2，及电感电容L1、C1，实现输出一个具有一定纹波的直流功率驱动信号Vout。同时，Vout通过比例电阻网络R1和R2的分压，产生一个反馈电压信号Vfb，进入该DC-DC控制器的输入端，与MCU控制器输出的控制电压Vref进行比较，动态调节并保持直流输出功率驱动信号Vout的电压稳定。

该压控直流输出功率驱动电路的输出驱动能力由Vin、MOSFET Q1及DC-DC控制器的转换效率决定。在本实施实例中，Vin可以采用24V供电，MOSFET Q1选择了导通电阻为13.9毫欧姆最大导通电流51A的IRFZ44Z，经过测试该驱动电路可在Vout为20V，输出电流为6A，即输出功率120W的情况下保持稳定工作，MOSFET温度不至于过高。此外，该输出驱动信号Vout在经过噪声处理模块的共模噪声滤波及差模噪声滤波之后，经测试噪声低于1mVrms，对探测器及其他电子学系统的噪声干扰极小。

本发明实施例中，所述噪声处理模块包括：依次连接的共模电感和LC型滤波网络；其中，共模电感用于滤除压控直流输出功率驱动电路输出信号中的共模噪声，LC型滤波网络用于滤除压控直流输出功率驱动电路输出信号中的差模噪声。通过合适的选择，共模电感和LC型滤波网络可以通过较大的电压和电流，并将驱动电路输出信号中的噪声成分很好的滤除。

本发明实施例中，所述TEC模块置于密闭或真空腔体内，冷端对目标探测器进行制冷，热端通过散热器、风冷或水冷的方式进行散热。

本发明实施例中，所述温度测量模块包括：依次连接的温度传感器和测温电路；其中：所述温度传感器为电阻式温度传感器、热电偶或热敏电阻；测温电路为桥式测温电路、恒流源式测温电路或集成式测温芯片。示例性的，可以采用低功耗、高集成度的24位温度测量A/D转换芯片ADS1248作为高精度的测温电路，通过SPI接口与MCU控制器通讯。

本发明实施例所提供的装置，采用了数字PID控制方案，可避免模拟PID控制方案电路参数繁琐、调试复杂耗时的问题，有效减少电路调试周期和难度；同时，通过一个电压可反馈控制的压控直流输出功率驱动电路，产生一个直流的驱动电压信号，通过控制电平信号对此压控直流输出功率驱动电路进行控制，输出的直流驱动信号经过滤波处理之后具有很低的噪声，对系统的其他敏感电路不易产生影响，特别适用于红外探测器、科学级CCD探测器或sCMOS探测器的制冷系统。

本发明另一实施例还提供一种用于热电制冷器的高功率低干扰驱动方法，该方法基于前述实施例所提供的装置实现，其主要过程如下：

上位机向MCU控制器发送目标温度数据、PID参数以及开始工作指令，并获取和显示温度测量模块发送给MCU控制器的TEC模块的温度数据；

MCU控制器根据上位机设定的目标温度，以及由温度测量模块检测得到的TEC模块的制冷温度，在片内实现PID算法，根据PID算法的结果计算需要输出的功率值，并据此功率值输出一个功率控制电压；

具有输入跟随功能的压控直流输出功率驱动电路对MCU控制器输出的功率控制电压进行跟随，输出一个电压与输入参考电压成比例的驱动电压信号，再通过噪声处理模块进行滤波后，作为低噪声的驱动信号对TEC模块进行直接驱动；

TEC模块温度的变换由温度测量模块采集，并反馈到MCU控制器中，MCU控制器按一定的频率重复进行PID运算，并根据PID运算结果，对控制电压信号进行不断的调节，进而控制驱动TEC模块的功率使TEC模块的制冷温度达到目标温度。

另外，该方法实施例中所涉及的各个器件在前述的装置实施例中已经进行了详细的介绍，相关器件的功能及结构可参见前述装置实施例，故不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。