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

摘要

本发明公开了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；具有步骤如下；(1)、确定1个优化的PWM波周期；(2)、温度采集；(3)、主控进行PID计算；(4)、采用抖动方法计算PWM波的脉宽时钟数；(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；(6)、主控定时器生成PWM波。对于本发明而言；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。

说明书

技术领域

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(DR

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DR

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DR

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f

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DR

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＝W

双向温控中，M1＝M2＝M，当DR

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T

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。

发明内容

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T

(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DR

(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N

(5)、根据N

(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(DR

b、累计误差，本时间段的误差和ErrSum

c、抖动判断，如果ErrSum

d、把N

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|N

当0<|N

当|N

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(DR

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DR

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DR

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T

(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DR

(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N

a、对(DR

b、累计误差，本时间段的误差和ErrSum

c、抖动判断，如果ErrSum

d、把N

(5)、根据N

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|N

当0<|N

当|N

(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DR

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/N

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。