[发明专利]一种用于热电制冷器的高功率低干扰驱动方法及装置

说明书

技术领域

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。

发明内容

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：