一種基于半導(dǎo)體制冷機(jī)理的降噪溫控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于半導(dǎo)體制冷機(jī)理的降噪溫控系統(tǒng)，包括散熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)；所述的散熱系統(tǒng)采用熱管散熱片，所述的制冷系統(tǒng)包括電路芯片、半導(dǎo)體制冷器和溫度傳感器，所述的溫度控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電路、D/A轉(zhuǎn)換、單片機(jī)以及溫度顯示。該降噪溫控系統(tǒng)基于帕爾貼效應(yīng)的原理設(shè)計(jì)，可以為電路芯片創(chuàng)造所需的低溫工作環(huán)境，降低與溫度有關(guān)的多項(xiàng)噪聲，有效提高系統(tǒng)信噪比、擴(kuò)展系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，具有無制冷劑、環(huán)保性好、無運(yùn)動(dòng)部件、振動(dòng)和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于半導(dǎo)體制冷機(jī)理的降噪溫控系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子溫控應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于半導(dǎo)體制冷機(jī)理的 降噪溫控系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體制冷也叫溫差電制冷或熱電制冷，它是在帕爾貼效應(yīng)基礎(chǔ)上建立起來的一 種人工制冷技術(shù)。與常規(guī)的機(jī)械制冷相比，它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如無制冷劑，環(huán)保性好；無運(yùn) 動(dòng)部件，振動(dòng)和噪聲低；在小功率制冷時(shí)，制冷系數(shù)較高；冷熱轉(zhuǎn)換方便；制冷速度快，反映 敏捷，可快速實(shí)現(xiàn)大溫差；調(diào)節(jié)性能好；易于微型化等。因此，半導(dǎo)體制冷開辟了制冷技術(shù) 的新領(lǐng)域，擴(kuò)大了制冷技術(shù)的應(yīng)用范圍，在一些特殊的場合，有著其它制冷方式無法替代的 作用。
[0003] 對于一些特殊芯片或者系統(tǒng)，其工作環(huán)境有著特殊低溫要求，例如CMCXD在工作 過程需要處理片上噪聲和片外噪聲，其中片上噪聲是指產(chǎn)生在C⑶芯片上的噪聲，包括暗 電流、光子散粒噪聲、時(shí)鐘感生電荷、固定圖形噪聲、胖零噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲、復(fù)位噪聲和殘像 等。片外噪聲則包括前置放大噪聲、ADC量化噪聲、時(shí)鐘波動(dòng)噪聲、電磁干擾、以及串?dāng)_等。 CCD片上噪聲也可以分為隨機(jī)噪聲和固定圖案噪聲。固定圖案噪聲容易用數(shù)字圖像處理 的方法去除。EMCCD在對信號增強(qiáng)的同時(shí)也放大了暗電流噪聲，于是對于EMCCD來說控制 CCD芯片的暗電流噪聲水平對整個(gè)系統(tǒng)的探測靈敏度、信噪比及動(dòng)態(tài)范圍有至關(guān)重要的意 義，而降低暗電流噪聲最有效的手段是對芯片進(jìn)行制冷。資料顯示在室溫附近，溫度每降低 l〇°C，由溫度引起的CCD的暗電流噪聲可以降低一個(gè)數(shù)量級，但是低溫對探頭的真空密封 性及制冷設(shè)備提出要求，如果溫度過低還會出現(xiàn)水汽凝結(jié)，從而嚴(yán)重?fù)p害芯片。
[0004] 因此對于此類芯片和系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合理的降噪溫控系統(tǒng)至關(guān)重要，可以降低與溫度 有關(guān)的多項(xiàng)噪聲，有效提高系統(tǒng)信噪比、擴(kuò)展系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于半導(dǎo)體 制冷機(jī)理的降噪溫控系統(tǒng)，本發(fā)明基于帕爾貼效應(yīng)的原理設(shè)計(jì)，可以為電路芯片創(chuàng)造所需 的低溫工作環(huán)境，降低與溫度有關(guān)的多項(xiàng)噪聲，有效提高系統(tǒng)信噪比、擴(kuò)展系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍。 該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，具有無制冷劑、環(huán)保性好、無運(yùn)動(dòng)部件、振動(dòng)和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案： 一種基于半導(dǎo)體制冷機(jī)理的降噪溫控系統(tǒng)，其特征在于，包括散熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和溫 度控制系統(tǒng)；所述的散熱系統(tǒng)采用熱管散熱片，所述的制冷系統(tǒng)包括電路芯片、半導(dǎo)體制冷 器和溫度傳感器，所述的包溫度控制系統(tǒng)括驅(qū)動(dòng)電路、D/A轉(zhuǎn)換、單片機(jī)以及溫度顯示；所 述的熱管散熱片與半導(dǎo)體制冷器相連，所述的驅(qū)動(dòng)電路接在半導(dǎo)體制冷器與D/A轉(zhuǎn)換模塊 之間；所述的單片機(jī)同時(shí)與溫度傳感器、D/A轉(zhuǎn)換和溫度顯示模塊相連；所述的溫度控制 系統(tǒng)包括鍵盤、LCD顯示、串口輸出、驅(qū)動(dòng)電路、測溫電路；所述的單片機(jī)使用的是飛思卡兒 XD512型微處理器，所述的單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)電路和溫控電路與半導(dǎo)體制冷芯片相連；所述 的驅(qū)動(dòng)電路由NPN型三極管（Ql)、P溝道增強(qiáng)型MOS管芯片（Ul)、100uH電感（L1)，肖特基 二極管（D1)組成；所述的三極管（Q1)的基極通過1K歐姆電阻（R3)與PWM型號相連，三極 管（Q1)的基極通過2K歐姆電阻（R4)與三極管（Q1)的集電極、地相連；所述的MOS管芯片 (U1)的漏極（5、6、7、8端口）并聯(lián)之后與肖特基二極管（D1)的負(fù)極相連，MOS管芯片（U1)的 源極（1、2、3端口）并聯(lián)之后與電源（VDD)相連；所述的電源（VDD)通過470歐姆電阻（R1) 與MOS管芯片（U1)的柵極（4端口）相連；所述的肖特基二極管（D1)的正極同時(shí)與470uF 電容（Cl)的負(fù)極、104uF電容（C2)的負(fù)極以及地相連；所述的100uH電感（L1)接在二極管 (D1)的負(fù)極與470uF電容（C1)的正極、104uF電容（C2)的正極相連；所述的驅(qū)動(dòng)電路輸出 端口與半導(dǎo)體制冷器（TEC)相連；所述NPN型三極管（Q1)的型號為MMBT3904 ;所述的P溝 道增強(qiáng)型M0S管（U1)的型號為TPC8103。
[0007] 本發(fā)明的有益效果是： 帕爾貼效應(yīng)的微觀機(jī)理起源于載流子在構(gòu)成回路的兩種導(dǎo)體中的勢能差異。當(dāng)載流子 從一種導(dǎo)體通過接頭處進(jìn)入到另一種導(dǎo)體時(shí)，需要在接頭附近與晶格（熱振動(dòng)）發(fā)生能量 交換，以達(dá)到新的平衡，因而在接頭處產(chǎn)生了一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。半導(dǎo)體制冷是基 于帕爾貼效應(yīng)的原理建立起來的，同時(shí)在制冷過程中還伴隨著焦耳熱效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)和 湯姆遜效應(yīng)。由于湯姆遜效應(yīng)屬于二級效應(yīng)，在工作電流和制冷溫差不大時(shí)，其數(shù)值相對于 其他三種效應(yīng)十分微小，因此在工程設(shè)計(jì)分析中經(jīng)常忽略不計(jì)，制冷溫差不大時(shí)，不考慮半 導(dǎo)體材料的物性隨溫度的變化，所有物性參數(shù)均采用電偶臂冷熱端平均溫度下的計(jì)算值。 當(dāng)在電偶臂上通入直流電后，冷端交界面附近在單位是時(shí)間內(nèi)吸收的熱量(帕爾貼熱）與電 流強(qiáng)度I成正比，單獨(dú)一對熱電偶產(chǎn)生的制冷量是很小的，在實(shí)際應(yīng)用中是把若干對熱電 偶排列成陣，組成半導(dǎo)體制冷熱電堆。一級半導(dǎo)體制冷器只能實(shí)現(xiàn)大約60K的溫差。為了 得到更低的制冷溫度，往往做成兩級或更高級的制冷器。
[0008] 在熱電降噪制冷系統(tǒng)中，半導(dǎo)體制冷器及其附屬器件，如散熱片、控制器、電源等 都是為被降溫芯片設(shè)置的，目的是為成特定芯片或系統(tǒng)創(chuàng)造所需的低溫工作條件，從而提 高工作精度。因此，在對半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也必須遵守一般制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原 貝1J，必須考慮降溫速度、負(fù)載能力、絕熱方式、制冷片空間設(shè)置形式等；其次，需盡可能的提 高制冷系統(tǒng)效率，以達(dá)到節(jié)能的要求。
[0009] 由于特定芯片或系統(tǒng)需要工作在一個(gè)恒定的溫度下，故必須對系統(tǒng)器件進(jìn)行溫度 控制。溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心器件，以半導(dǎo)體制冷片為執(zhí)行器件，運(yùn)用增量式PID控 制算法實(shí)現(xiàn)溫度快速、穩(wěn)定、精確控制?？刂葡到y(tǒng)包括溫度采樣與處理、溫度顯示、溫度設(shè)置 (可存儲)、驅(qū)動(dòng)電源等部分。硬件設(shè)計(jì)主要包括測溫電路設(shè)計(jì)、TEC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、單片機(jī) 的系統(tǒng)擴(kuò)展及通道與接口設(shè)計(jì)等。傳統(tǒng)的溫度檢測以模擬式溫度傳感器熱敏電阻為溫度敏 感元件，熱敏電阻成本低，但需要后續(xù)信號處理電路，如A/D轉(zhuǎn)換電路等，而且熱敏電阻的 可靠性相對較差，測量度的準(zhǔn)確度低，檢測系統(tǒng)的精度差。而以DS18B20為代表的數(shù)字式溫 度傳感器克服了傳統(tǒng)測溫元件的缺點(diǎn)，集測量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字量，與單片 機(jī)接口電路結(jié)構(gòu)簡單，廣泛使用于距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)分布多的場合，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。 [0010] 該降噪溫控系統(tǒng)基于帕爾貼效應(yīng)的原理設(shè)計(jì)，可以為電路芯片創(chuàng)造所需的低溫工 作環(huán)境，降低與溫度有關(guān)的多項(xiàng)噪聲，有效提高系統(tǒng)信噪比、擴(kuò)展系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍。該設(shè)備結(jié) 構(gòu)簡單、成本低廉，具有無制冷劑、環(huán)保性好、無運(yùn)動(dòng)部件、振動(dòng)和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說明。
[0012] 圖1是該降噪溫控系統(tǒng)的整體框圖； 圖2是該降噪溫控系統(tǒng)的溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖3是該降噪溫控系統(tǒng)的半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路； 圖4是一種針對C⑶芯片的降溫密封腔設(shè)計(jì)實(shí)例。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 如圖1是該降噪溫控系統(tǒng)的整體框圖，該降噪溫控系統(tǒng)包括散熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng) 和溫度控制系統(tǒng)；所述的散熱系統(tǒng)采用熱管散熱片，所述的制冷系統(tǒng)包括電路芯片、半導(dǎo)體 制冷器和溫度傳感器，所述的包溫度控制系統(tǒng)括驅(qū)動(dòng)電路、D/A轉(zhuǎn)換、單片機(jī)以及溫度顯示； 所述的熱管散熱片與半導(dǎo)體制冷器相連，所述的驅(qū)動(dòng)電路接在半導(dǎo)體制冷器與D/A轉(zhuǎn)換模 塊之間；所述的單片機(jī)同時(shí)與溫度傳感器、D/A轉(zhuǎn)換和溫度顯示模塊相連。其中，半導(dǎo)體制 冷片的工作電源為直流電源，并且為保證半導(dǎo)體制冷片正常工作，必須要求輸入的電源電 壓紋波系數(shù)小于10%。半導(dǎo)體制冷片可根據(jù)流過半導(dǎo)體的電流方向和大小來決定其工作狀 態(tài)的（電流的方向決定制冷或者制熱，電流的大小決定制冷或者制熱的程度和效果)。為了 使半導(dǎo)體制冷片能夠自動(dòng)的進(jìn)行恒溫控制，就必須設(shè)計(jì)好其驅(qū)動(dòng)電路?？紤]到實(shí)際工作時(shí)， 半導(dǎo)體制冷片功率較大，必須保證電源能夠提供足夠的電流，可采用開關(guān)電源。開關(guān)電源是 利用現(xiàn)代電子技術(shù)，控制開關(guān)管通和斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。降壓 型DC/DC變換器主電路（BUCK電路）是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管非隔離型直流變 換器，是屬于開關(guān)電源中一種典型的電路，開關(guān)管一般都采用PWM控制方式。
[0014] 為了使特定芯片和系統(tǒng)工作在一個(gè)恒定的溫度下，必須對成像器件進(jìn)行溫度控 制。溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心器件，以半導(dǎo)體制冷片為執(zhí)行器件，運(yùn)用增量式PID控制 算法實(shí)現(xiàn)溫度快速、穩(wěn)定、精確控制。圖2是該降噪溫控系統(tǒng)的溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)包括 鍵盤、LCD顯示、串口輸出、驅(qū)動(dòng)電路、測溫電路；所述的單片機(jī)使用的是飛思卡兒XD512型 微處理器，所述的單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)電路和溫控電路與半導(dǎo)體制冷芯片相連。
[0015] 圖3是該降噪溫控系統(tǒng)的半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路由NPN型三極管 (Ql)、P溝道增強(qiáng)型M0S管芯片（Ul)、100uH電感（L1)，肖特基二極管（D1)組成；所述的三 極管（Q1)的基極通過1K歐姆電阻（R3)與PWM型號相連，三極管（Q1)的基極通過2K歐姆 電阻（R4)與三極管（Q1)的集電極相連；所述的M0S管芯片（U1)的5、6、7、8端口并聯(lián)之后 與二極管（D1)的負(fù)極相連，M0S管芯片（U1)的1、2、3并聯(lián)之后與電源（VDD)相連；所述的 電源（VDD)通過470歐姆電阻（R1)與M0S管芯片（U1)的端口 4相連；所述的肖特基二極 管（D1)的正極同時(shí)與470uF電容（C1)的負(fù)極、104uF電容（C2)的負(fù)極以及地相連；所述 的100uH電感（L1)接在二極管（D1)的負(fù)極與470uF電容（C1)的負(fù)極、104uF電容（C2)的 正極相連；所述的輸出端口與半導(dǎo)體制冷器（TEC)相連，所述NPN型三極管（Q1)的型號為 MMBT3904 ;所述的P溝道增強(qiáng)型M0S管（U1)的型號為TPC8103。
[0016] 該驅(qū)動(dòng)電路中，輸入電壓VDD為+12V，控制信號PWM信號由單片機(jī)輸出，PWM的高 電平為+5V，低電平為0。PWM控制三級管MMBT3904的通斷。當(dāng)PWM為高電平時(shí)，三極管導(dǎo) 通，MOS管TPC8103的柵極電壓大于其門限電壓，MOS管導(dǎo)通，此時(shí)，電感儲存能量，電容充 電；當(dāng)PWM為低電平時(shí)，三極管截止，MOS管柵極電壓小于其門限電壓，MOS管截止，此時(shí)，電 感放能，電容放電，從而使電路輸出電壓穩(wěn)定。通過改變PWM信號的占空比，可以將電路輸 出電壓控制在(T+12V之間。為保證輸出電壓的紋波小于10%，采用LC濾波電路進(jìn)行濾波， 使得電壓紋波達(dá)到要求。
[0017] 圖4是一種針對CCD芯片的降溫密封腔設(shè)計(jì)實(shí)例，用以闡述本發(fā)明的具體實(shí)施方 法。對于EMCCD來說控制CCD芯片的暗電流噪聲水平對整個(gè)系統(tǒng)的探測靈敏度、信噪比 及動(dòng)態(tài)范圍有至關(guān)重要的意義，而降低暗電流噪聲最有效的手段是對芯片進(jìn)行制冷。制冷 (XD攝像機(jī)主要由C⑶芯片、半導(dǎo)體制冷片、控制電路、數(shù)據(jù)處理電路以及電源等部分組成， 是集光電成像技術(shù)、熱電制冷技術(shù)、恒溫控制技術(shù)、信號處理及控制技術(shù)為一體的高科技產(chǎn) 品。對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須保其結(jié)構(gòu)合理、工作可靠。為了保持清潔、恒溫的工作環(huán)境， 將其放入一個(gè)密封腔內(nèi)。制冷器要對C⑶進(jìn)行制冷，所以制冷器必須和成像芯片一同放入 密封腔內(nèi)。由于CCD芯片和制冷片均為方形結(jié)構(gòu)，故將密封腔體設(shè)計(jì)成帶有正方形底座的 倒凹型腔體，密封腔內(nèi)主要包括EMCCD芯片、半導(dǎo)體制冷片、溫度傳感器以及兩組雙排插 針。密封腔由鋁合金材料制成，在頂端的窗口按圈下安裝了由石英材料制成的光學(xué)玻璃窗， 通過光學(xué)窗口，圖像可以成像到(XD感光面，保證了成像器件光路的暢通。C⑶傳感器安裝 在腔體內(nèi)部貼近窗口的位置，玻璃窗與成像芯片保持水平。制冷片熱端置于腔體底座上，通 過底座將熱量傳遞給散熱系統(tǒng)。CCD、制冷片及溫度傳感器的電源線、信號線、控制線等通 過插針引出腔體，插針與腔體之間用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封。采用背帖式連接方式，將裝有CCD 芯片的PCB板中部鏤空后，把半導(dǎo)體制冷片的冷端用導(dǎo)熱硅膠直接粘合在CCD的背面，中間 省去了導(dǎo)冷塊，有助于提高制冷效率；熱端置于腔體底座上，通過底座將熱量傳遞給散熱系 統(tǒng)。溫度傳感器緊貼在C⑶芯片背面，可實(shí)時(shí)檢測芯片溫度， 除了上述以外本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員也都能理解到，在此說明和圖示的 具體實(shí)施例都可以進(jìn)一步變動(dòng)結(jié)合。例如，可以將飛思卡兒XD512型微處理器換為其它類 型的微處理器，如英飛凌高性能微處理器XC2238N型MCU。
[0018] 雖然本發(fā)明是就其較佳實(shí)施例予以示圖說明的，但是熟悉本技術(shù)的人都可理解 至IJ，在所述權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可對本發(fā)明作出種種改動(dòng)和 變動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于半導(dǎo)體制冷機(jī)理的降噪溫控系統(tǒng)，其特征在于，包括散熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和 溫度控制系統(tǒng)；所述的散熱系統(tǒng)采用熱管散熱片，所述的制冷系統(tǒng)包括電路芯片、半導(dǎo)體制 冷器和溫度傳感器，所述的溫度控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電路、D/A轉(zhuǎn)換、單片機(jī)以及溫度顯示； 所述的熱管散熱片與半導(dǎo)體制冷器相連，所述的驅(qū)動(dòng)電路接在半導(dǎo)體制冷器與D/A轉(zhuǎn)換模 塊之間；所述的單片機(jī)同時(shí)與溫度傳感器、D/A轉(zhuǎn)換和溫度顯示模塊相連。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于半導(dǎo)體制冷機(jī)理的降噪溫控系統(tǒng)，其特征在于，所述 的溫度控制系統(tǒng)包括鍵盤、LCD顯示、串口輸出、驅(qū)動(dòng)電路、測溫電路；所述的單片機(jī)為飛思 卡兒XD512型微處理器，所述的單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)電路和溫控電路與半導(dǎo)體制冷芯片相連。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于半導(dǎo)體制冷機(jī)理的降噪溫控系統(tǒng)，其特征在于，所述 的驅(qū)動(dòng)電路由NPN型三極管（Ql)、P溝道增強(qiáng)型MOS管芯片（Ul)、100uH電感（L1)，肖特基 二極管（D1)組成；所述的三極管（Q1)的基極通過1K歐姆電阻（R3)與PWM型號相連，三極 管（Q1)的基極通過2K歐姆電阻（R4)與三極管（Q1)的集電極、地相連；所述的MOS管芯片 (U1)的漏極（5、6、7、8端口）并聯(lián)之后與肖特基二極管（D1)的負(fù)極相連，MOS管芯片（U1)的 源極（1、2、3端口）并聯(lián)之后與電源（VDD)相連；所述的電源（VDD)通過470歐姆電阻（R1) 與MOS管芯片（U1)的柵極（4端口）相連；所述的肖特基二極管（D1)的正極同時(shí)與470uF 電容（Cl)的負(fù)極、104uF電容（C2)的負(fù)極以及地相連；所述的100uH電感（L1)接在二極管 (D1)的負(fù)極與470uF電容（C1)的正極、104uF電容（C2)的正極相連；所述的驅(qū)動(dòng)電路輸出 端口與半導(dǎo)體制冷器（TEC)相連。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于半導(dǎo)體制冷機(jī)理的降噪溫控系統(tǒng)，其特征在于，所述 NPN型三極管（Q1)的型號為MMBT3904 ;所述的P溝道增強(qiáng)型M0S管（U1)的型號為TPC8103。
【文檔編號】G05D23/30GK104062990SQ201410264748
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】徐云鵬 申請人:徐云鵬