一种TEC温控驱动电路及其控制策略的制作方法

本发明属于驱动电路领域，具体是一种TEC温控驱动电路及其控制策略。

背景技术：

TEC即热电制冷器，如图1所示，是一种以半导体材料为基础的电子元件。通过在热电制冷器的两端加载一个较低的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。热电制冷器常用于温控电路中，不同的驱动电路及控制策略对温控效果起到至关重要的作用。

TEC在工作时可以直接采用直流电源供电，并且其可适应的电压范围很广。热电制冷器是低阻抗的半导体器件，相当于在电源上加载一个电阻，且阻值具有一定温度系数。如果为了达到简单的温度控制目的，可以使用标准恒温器或者可变输出的直流电源来调整热电器件的输入电压。在某些热载荷比较稳定的应用条件下，使用手动调控的直流电源就可以保证在几个小时温度或更长时间范围内，温度的上下波动不超过±1℃。如果需要精确控制温度，一般需要使用闭环控制系统，自动控制输入电流的大小或者频率，此时，温度控制的精度保持可以在±0.1℃，或更高的精度内。

目前比较常见的TEC驱动电路为H桥驱动电路，如图2所示，使用PWM控制四个MOS管(Q1-Q4)的开关，在TEC两端形成不同电压，从而实现TEC驱动，通过控制TEC两端电压高低，可以实现电流方向的切换。H桥驱动电路采用对称结构，每半桥可以看成是一个DC-DC电源模块，其输出电压值由电源电压与PWM占空比共同决定。

中国多项专利申请对TEC驱动电路进行改进：

CN106787735A该专利申请是基于H桥驱动电路作出改进。CN102494433A该专利申请利用DC-DC电源芯片间接实现H桥控制，本质上仍属于H桥控制电路。H桥驱动电路具有以下问题：1、使用的电感体积大，器件数量较多，占用电路面积大。2、H桥驱动电路通过PWM控制，输出电压纹波大，且输出精度受PWM限制，不利于实现更高精度(<0.01℃)控温效果。

CN203422694U该专利申请利用单路DC-DC实现TEC驱动，仅能加热或制冷。CN102519167A该专利申请利用一个线性稳压模块实现TEC驱动，仅能加热或制冷。

技术实现要素：

本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种TEC温控驱动电路。

技术方案：

本发明首先公开了一种TEC温控驱动电路，它包括线性稳压器LDO、电流吸收电路和开关电源SW电路：

-所述线性稳压器LDO的输出端连接TEC的LDO端提供输入电压V-LDO；

-所述开关电源SW电路的输出端连接TEC的SW端提供输入电压V-SW；

-所述电流吸收电路连接在TEC的LDO端：当V-LDO＞V-SW时断路，电流自线性稳压器LDO流入TEC；当V-LDO＜V-SW时导通，电流自TEC流出至电流吸收电路。

作为电流吸收电路的一种电路结构，所述电流吸收电路包括第二NMOS管Q2和第二运算放大器U3，第二运算放大器U3的反相输入端连接输入电压，第二运算放大器U3的同相输入端接固定电压输入，第二运算放大器U3的输出端接第二NMOS管的门极，第二NMOS管Q2的源极连接TEC的LDO端，第二NMOS管Q2的漏极接地。

优选的，线性稳压器LDO的输入端与电流吸收电路的输入端连接，二者接收同一控制电压Vctr的输入信号。

优选的，线性稳压器LDO和电流吸收电路输入端的控制电压Vctr、开关电源SW电路输入端的PWM信号，二者均由主控芯片SoC产生。

优选的，控制电压Vctr经过低通滤波电路后连接线性稳压器LDO和电流吸收电路的输入端。

作为开关电源SW电路的第一种电路结构，所述开关电源SW电路为专用的开关电源控制器芯片，开关电源控制器芯片的输入端接收PWM信号，开关电源控制器芯片的输出端通过储能元件后连接TEC的SW端为TEC提供输入电压V-SW。

作为开关电源SW电路的第二种电路结构，所述开关电源SW电路为MOS管驱动器+MOS管结构，MOS管驱动器的输入端接收PWM信号，MOS管驱动器的输出端分别连接第三PMOS管Q3的门极和第四NMOS管Q4的门极，第三PMOS管Q3的源极连接供电电压PVcc，第四NMOS管Q4的源极接地，第三PMOS管Q3的漏极和第四NMOS管Q4的漏极相接作为输出端通过储能元件后连接TEC的SW端为TEC提供输入电压V-SW。

更优的，第三PMOS管Q3和第四NMOS管Q4作为一组MOS管，多组MOS管呈并联连接。

优选的，线性稳压器LDO包括第一运算放大器U2和第一PMOS管Q1，控制电压Vctr作为参考电压输入第一运算放大器U2的反相输入端，第一运算放大器U2的输出端连接第一PMOS管Q1的门极，第一PMOS管Q1的源极连接供电电压PVcc，第一PMOS管Q1的漏极连接TEC的LDO端，第一PMOS管Q1的漏极电压即TEC的输入电压V-LDO；TEC的输入电压V-LDO经过第二电阻R2和第三电阻R3分压后作为取样电压反馈至第一运算放大器U2的同相输入端组成闭环反馈。

本发明还公开了一种TEC温控驱动电路的控制策略，基于所述的一种TEC温控驱动电路，控制策略为：

当TEC为大负载时，调节开关电源SW电路的输出电压V-SW实现高效的温度控制；

当TEC为小负载时，调节线性稳压器LDO的输出电压V-LDO实现高精度的温度控制。

本发明的有益效果

1)电路体积小

相比H桥驱动电路，该TEC驱动电路只有V-SW端采用半桥驱动，只使用单个电感，可以减小PCB面积，有利于减小系统体积，提高集成度。

2)基于本发明的电路结构，通过控制策略配合，充分利用LDO电路与SW电路的优点，规避其缺点。

在大负载时，通过V-SW端调节输出电压，充分利用DCDC电路高效的优势，可以获得较高效率。

在小负载时，开始调整V-LDO端输出，可以利用LDO电路线性度好、纹波小的特点，在加热与制冷状态切换时，提供较好的过零点，从而平稳过渡，能够提供更高精度的温度控制。

LDO电路的输出效率可以通过下式计算：

其中Io为输出电流，Vo为输出电压，Vi为输出电压，Iq为MOS管工作静态电流，近似等于输出电压与输入电压的比值，当输出电压降较大时，LDO端效率低，此时功率耗散通过下式计算：

PowerDissipation＝(Vi-Vo)Io

由此会导致较严重的发热。本申请通过控制策略，仅在低负载时调节LDO，此时虽然效率仍然较低，但是由于负载小，输出电流Io小，功率耗散的绝对值小，从而避免发热。

3)可以同时实现TEC加热与制冷。

普通的LDO式驱动仅有电流输出能力，灌电流能力弱，本电路增加电流吸收电路，实现LDO端既可以输出电流又可以吸收电流，实现使用同一电路驱动TEC加热或制冷。

附图说明

图1为TEC工作示意图

图2为现有技术中H桥驱动电路示意图

图3为本发明的TEC温控驱动电路图

图4为本发明的LDO端调整管的可替换结构图

图5为本发明的SW端两组MOS管并联连接示意图

图6为实施例中进行PID调节输出的电压波形图

图7为图6中局部放大图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

结合图3，一种TEC温控驱动电路，它包括主控芯片SoC、线性稳压器LDO、电流吸收电路和开关电源SW电路：

-主控芯片SoC产生线性稳压器LDO和电流吸收电路输入端的控制电压Vctr、开关电源SW电路输入端的PWM信号以及检测热敏电阻电压反馈值。

-线性稳压器LDO的输出端连接TEC的LDO端提供输入电压V-LDO，线性稳压器LDO包括第一运算放大器U2和第一PMOS管Q1(线性稳压器LDO中的调整管还可以是如图4所示(a)(b)(c)(d)(e)中任一结构，实施例中以PMOS管进行说明)，控制电压Vctr通过由第一电阻R1和第一电容C1组成的低通滤波电路后输入至第一运算放大器U2的反相输入端，第一运算放大器U2的输出端连接第一PMOS管Q1的门极，第一PMOS管Q1的源极连接供电电压PVcc，第一PMOS管Q1的漏极连接TEC的LDO端，第一PMOS管Q1的漏极电压即TEC的输入电压V-LDO；TEC的输入电压V-LDO经过第二电阻R2和第三电阻R3分压后作为取样电压反馈至第一运算放大器U2的同相输入端组成闭环反馈。

-开关电源SW电路的输出端连接TEC的SW端提供输入电压V-SW，开关电源SW电路为MOS管驱动器+MOS管结构，MOS管驱动器的输入端接收PWM信号，MOS管驱动器的输出端分别连接第三PMOS管Q3的门极和第四NMOS管Q4的门极，第三PMOS管Q3的源极连接供电电压PVcc，第四NMOS管Q4的源极接地，第三PMOS管Q3的漏极和第四NMOS管Q4的漏极相接作为输出端通过第一电感L1后连接TEC的SW端为TEC提供输入电压V-SW，TEC的SW端还通过第二电容C2接地。在优选的实施例中，如图5所示，第三PMOS管Q3和第四NMOS管Q4作为一组MOS管，多组MOS管呈并联连接可以实现功率的提升。在另一些实施例中，可以使用专用的开关电源控制器芯片(LM25019)代替MOS管驱动器+MOS管的结构。

-电流吸收电路连接在TEC的LDO端，电流吸收电路包括第二NMOS管Q2和第二运算放大器U3，控制电压Vctr通过由第一电阻R1和第一电容C1组成的低通滤波电路后输入第二运算放大器U3的反相输入端，第二运算放大器U3的同相输入端接固定电压PVCC/4输入，第二运算放大器U3的输出端接第二NMOS管的门极，控制电压Vctr的大小决定第二NMOS管Q2的通断，第二NMOS管Q2的源极连接TEC的LDO端，第二NMOS管Q2的漏极接地。

相比H桥驱动电路，该TEC驱动电路只使用单个电感，可以减小PCB面积，有利于减小系统体积，提高集成度。

电路工作时，在V-LDO输出端，从主控芯片SoC开始，利用主控芯片SoC内部DAC输出控制电压Vctr作为参考电压(在其他实施例中，也可以由数字电位计实现控制电压Vctr的输出)，经第一电阻R1与第一电容C1组成的低通滤波电路滤除高频成分后输入第一运算放大器U2反相输入端，第一运算放大器U2的输出端接第一PMOS管Q1，第一运算放大器U2输出电压的高低决定第一PMOS管Q1漏极电压输出，即V-LDO，V-LDO经第二电阻R2与第三电阻R3分压后反馈至第一运算放大器U2同相输入端，由此组成闭环反馈，直至第一运算放大器U2同相输入端的反馈电压等于第一运算放大器U2反相输入端的电压，此时第一PMOS管Q1漏极电压输出V-LDO维持稳定，改变主控芯片SoC内部DAC输出的参考电压，V-LDO自动调制至稳定，即V-LDO的大小受主控芯片SoC内部DAC输出的参考电压控制。在V-SW输出端，从主控芯片SoC开始，利用主控芯片SoC产生PWM对MOS管驱动器U4进行控制，MOS管驱动器U4驱动第三PMOS管Q3与第四NMOS管Q4的开关产生输出电压V-SW，第一电感L1与第二电容C2为储能元件，改变PWM的占空比可以改变V-SW的大小。

通过在电路结构上的设计，增加第二运算放大器U3与第二NMOS管Q2，使LDO端既能输出电流，又能吸收电流，从而通过同一电路同时实现TEC的加热与制冷。TEC加热时：V-LDO大于V-SW，此时Vctr大于PVcc/4，第二运算放大器U3输出低电压，第二NMOS管Q2关闭，电流从V-LDO流向V-SW，如图3中实线箭头所示。TEC制冷时：V-LDO小于V-SW，此时Vctr小于PVcc/4，第二运算放大器U3输出高电压，第二NMOS管Q2打开，电流从V-SW流向V-LDO，如图3中虚线箭头所示。

使用NTC对受控点处温度进行采集并反馈至主控芯片SoC并以此为输入进行PID计算，上述参考电压与PWM占空比均由PID计算结果决定，从而决定输出实际输出电压值。输出电压与PID的关系如下，

VLDO＝V1-A1×(PID/4096×A2-B1)

VSW＝VLDO+A3×(PID/4096×A2-B1)

其中V1、A1、A2、A3、B1为可调参数，由实际电路决定，PID为控制算法计算得出控制值。最终，施加于TEC的电压为

Vo＝VLDO-VSW

根据选定的参数，输出电压波形如图6-图7所示。通过图6可知多数情况下，V-LDO为0或5V，通过调整V-SW以实现调整TEC两端电压。TEC所需电压较小时，如图7所示，同时调整V-SW与V-LDO以达到想要的输出。由于LDO电路的功率损失等于其输出电压压降与电流的乘积，即

PowerDissipation＝(Vi-Vo)Io

通过上式可知：当TEC负载小的时候，输出电流Io小，功率耗散的绝对值小，从而可以避免发热。故得出本申请的TEC温控驱动电路的控制策略：

在大负载时，通过调整V-SW端调节输出电压，充分利用DCDC电路高效的优势，可以获得较高效率。

在小负载时，开始调整V-LDO输出，可以利用LDO电路线性度好、纹波小的特点，在加热与制冷状态切换时，提供较好的过零点，从而平稳过渡，能够提供更精细的温度控制。

在本实施例中，TEC两端电压差大于0.2V时为大负载，电压差小于0.2V时为小负载。临界值可视具体电路进行调整。

通过以上策略，仅在TEC所需驱动电压较小时调整V-LDO，可以较少功率损失，避免发热。在加热与制冷状态切换时，由于LDO参与调整，使得过渡平缓，可以获得更好的过零点。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。