一种非平衡H桥激光器温控电路的制作方法

一种非平衡h桥激光器温控电路
技术领域
1.本实用新型实施例涉及温控技术领域，具体涉及一种非平衡h桥激光器温控电路。


背景技术：

2.目前基于ntc（负温度系数热敏电阻） tec（热电制冷片）的激光器温控系统，多采用pid（比例微积分）控制单元 功率驱动单元组成。pid比例微积分控制是控制领域的核心控制单元，有数字pid和模拟pid区分，其核心目的就是快速稳定的实现温度锁定。功率驱动部分方式方法很多，双极性三极管对管，互补大功率运放，pwm开关电源技术。每种技术各有优缺点。其中h桥电路由于其单电源供电，使得供电系统和电路得到简化，因而得到了广泛的应用。
3.目前的h桥电路主要用于直流电机的方向控制，这里借鉴了其典型应用电路。h桥电路的实现方式多种多样，平衡式h桥其工作点在电源的中点，在控制方向时，开启对角的控制单元，使其单向工作。其中基于pwm的h桥技术被最终且广泛的应用于集成温控芯片，诸如max1978系列和adn8830系列。由于基于pwm的h桥温控系统，属于dc
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dc电源控制系统，结构简单，节能发热小体较小集成度高，备受青睐。但是由于其pwm开关噪声，使得其应用受到限制，如果处理不好噪声问题，会导致激光器输出受到干扰。且集成芯片驱动方式无法进行修改，且成本较高。
4.因此，如何提供一种新型的温控电路，器件少，结构简单，成本低廉，使其无开关噪声和低频噪声，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为此，本实用新型实施例提供一种非平衡h桥激光器温控电路，以解决现有技术中由于集成芯片价格贵，且存在开关噪声而导致的成本高和应用受限制的问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：
7.一种非平衡h桥激光器温控电路，包括电源电路、温度检测电路、非对称h桥电路、驱动电路和tec半导体制冷片，所述电源电路为所述温度检测电路、非对称h桥电路和驱动电路供电，所述温度检测电路与所述非对称h桥电路连接，所述驱动电路与所述非对称h桥电路连接，所述tec半导体制冷片设置在所述非对称h桥电路内部。
8.进一步地，所述非对称h桥电路包括功率管q400、q401、q402、q403和分压电阻r405、r406、r407、r408，所述功率管q400和q403的栅极与运算放大器ic400b的输出端连接。
9.进一步地，所述驱动电路包括方向控制管q404、上拉电阻r409和限流电阻r419，所述方向控制管q404的漏极与所述功率管q401和q402的栅极连接，所述限流电阻r419设在所述功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间，所述上拉电阻r409设在电源处，所述方向控制管q404的栅极与运算放大器ic400b的输出端连接。
10.进一步地，所述温度检测电路包括运算放大器ic400b和rc电路，所述rc电路包括分压电阻r400、r401、 r402、r403，热敏电阻r404和电容c400、c401、c402、c403、c404，所述
热敏电阻r404与所述分压电阻r403串联，所述热敏电阻r404与所述运算放大器ic400b的反相输入端连接。
11.进一步地，所述tec半导体制冷片具有一个冷端和一个热端。
12.进一步地，所述tec半导体制冷片的热端与所述功率管q400的源极和功率管q401的漏极连接。
13.进一步地，所述tec半导体制冷片的冷端与所述功率管q402的源极和功率管q403的漏极连接。
14.进一步地，四只所述功率管q400、q401、q402、q403为高开启电压的mos场效应管ndt451n，且所述mos场效应管ndt451n采用sot
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223封装。
15.进一步地，所述方向控制管q404为低开启电压的mos场效应管bss138。
16.进一步地，所述热敏电阻r404为负温度系数热敏电阻。
17.本实用新型实施例具有如下优点：
18.本技术针对双电源供电的电源冗余和复杂性，这里使用了单电源供电可以实现单电源供电；本技术采用双向不对称结构，正向和反向做不同的限流。由于是简化的h桥电路，该电路驱动点并不在v/2处，其中两个开关管只承载开关作用，并不耗能，所以四管中只有两管耗能，电路结构简单；本技术由于采用纯模拟电路工作，该电路只要处理好电源和接地，基本不会有噪声干扰，不会对周围电路产生串扰，从而避免影响系统的稳定性；本技术还采用低成本器件和基本的阻容网络，其中四个低压开启的n沟道场效应管可选性余地很大。使得电路系统成本低廉，结构简单。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
20.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
21.图1为本实用新型实施例的结构框图；
22.图2为本实用新型实施例的电路图。
具体实施方式
23.以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
24.为了解决现有技术中存在的相关技术问题，本技术实施例提供了非平衡h桥激光器温控电路，旨在解决成本高、应用受限制等问题，实现成本低廉，无开关噪声和低频噪声干扰的效果。如图1所示，具体包括电源电路、温度检测电路、非对称h桥电路、驱动电路和tec半导体制冷片，电源电路为温度检测电路、非对称h桥电路和驱动电路供电，温度检测电路与非对称h桥电路连接，驱动电路与非对称h桥电路连接，tec半导体制冷片设置在非对称h桥电路内部。
25.双电源工作的温控电路，要使用正负电源工作，这就要求供电系统提供两套电源，这种技术成本高，电源电路复杂，占pcb空间大器件多等诸多缺点。该电源电路采用单电源电路，温度检测电路、非对称h桥电路和驱动电路的电源脚只需连接电源正极和地，就可实现供电的效果，使得供电系统和电路得到简化，避免了双电源供电的电源冗余和复杂性。
26.具体地，此实施例中，如图2所示，温度检测电路包括运算放大器ic400b和rc电路，rc电路包括分压电阻r400、r401、 r402、r403，热敏电阻r404和电容c400、c401、c402、c403、c404，热敏电阻r404与分压电阻r403串联，热敏电阻r404与运算放大器ic400b的反相输入端连接。rc电路为温度检测电路的基础阻容电路，在此就不进行赘述。
27.热敏电阻r404为负温度系数热敏电阻。负温度系数热敏电阻是一类电阻值随温度增大而减小的一种传感器电阻。即温度升高时，热敏电阻r404的阻值降低，温度降低时，热敏电阻r404的阻值升高。当温度降低时，热敏电阻r404阻值升高，热敏电阻r404开始分压，此时，运算放大器ic400b的反相输入端电压升高，运算放大器ic400b的输出端的电压则开始降低；当温度升高时，热敏电阻r404阻值降低，热敏电阻r404压降降低，此时，运算放大器ic400b的反相输入端电压降低，运算放大器ic400b的输出端的电压则开始升高。
28.如图2所示，还包括额外控制和检测电路。电源电路也为额外控制和检测电路提供电源。额外控制和检测电路包括运算放大器ic400a和分压电阻r413、r414、r415，分压电阻r413与非对称h桥电路中的功率管q403连接，运算放大器ic400a的正向输入端与分压电阻r413连接，运算放大器ic400a的反向输入端与分压电阻r414连接，运算放大器ic400a的反向输入端与输出端之间设有分压电阻r415，运算放大器ic400a的输出端与tec半导体制冷片的mon端连接。其中运算放大器ic400a以及外围电路使温控电流的检测电路增益20倍，用于额外控制和监测使用。例如温控电流2a*0.1r=0.2v，则输出vo=0.2v*20(g=20)=4v，适合参考电压4.096v的adc使用。四只功率管q400、q401、q402、q403为高开启电压的mos场效应管ndt451n，且mos场效应管ndt451n采用sot
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223封装。方向控制管q404为低开启电压的mos场效应管bss138。功率管q400、q401、q402、q403和方向控制管q404均为n沟道mos场效应管，当n沟道mos场效应管的栅极电压为高电平时，n沟道mos场效应管开启。且功率管q400、q401、q402、q403的开启电压大于方向控制管q404的开启电压。在此实施例中，运算放大器ic400b的输出端输出一直为高电平。
29.具体地，此实施例中，如图2所示，非对称h桥电路包括四只功率管q400、q401、q402、q403，分压电阻r405、r406、 r407、r408，功率管q400和q403的栅极与运算放大器ic400b的输出端连接。功率管q400和q403的栅极通过感应运算放大器ic400b的输出端的电压来控制功率管q400和q403的开关。
30.当温度升高时，即运算放大器ic400b的输出端的电压升高，运算放大器ic400b的输出端的电压升高至功率管q400和q403的开启电压，功率管q400和q403的栅极感应运算放
大器ic400b的输出端输出的电压，功率管q400和q403导通，电流正向流过tec半导体制冷片，tec半导体制冷片发挥制冷的功效；当温度降低时，即运算放大器ic400b的输出端的电压降低，运算放大器ic400b的输出端的电压降低至功率管q400和q403的开启电压，功率管q400和q403被关闭，没有电流正向流过tec半导体制冷片，tec半导体制冷片不再进行制冷。
31.具体地，此实施例中，如图2所示，驱动电路包括方向控制管q404、上拉电阻r409和限流电阻r419，方向控制管q404的漏极与功率管q401和q402的栅极连接，限流电阻r419设在功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间，上拉电阻r409设在电源处，方向控制管q404的栅极与运算放大器ic400b的输出端连接。
32.在开机上电时，上拉电阻r409处于打开的状态，功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间的电路导通。当温度降低时，即运算放大器ic400b的输出端的电压降低，运算放大器ic400b的输出端的电压降低至方向控制管q404的开启电压，方向控制管q404被关闭，因为功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间的电路导通，所以功率管q401和q402直接打开，电流反向流过tec半导体制冷片，实现加热功能；当温度升高时，即运算放大器ic400b的输出端的电压升高，运算放大器ic400b的输出端的电压升高至方向控制管q404的开启电压，方向控制管q404被打开，功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间断路，功率管q401和q402关闭，没有电流反向流过tec半导体制冷片，tec半导体制冷片不再进行加热。
33.此外，在非对称h桥电路和驱动电路中还包括电阻r411、r412、r418、r420、r410，均为分压限流的作用，在电路中普遍应用。
34.具体地，此实施例中，如图2所示，tec半导体制冷片具有一个冷端和一个热端。tec半导体制冷片的热端与功率管q400的源极和功率管q401的漏极连接。tec半导体制冷片的冷端与功率管q402的源极和功率管q403的漏极连接。
35.当温度升高时，运算放大器ic400b的输出端的电压升高，输出端的电压升高至功率管q400和q403的开启电压，即也大于方向控制管q404的开启电压，方向控制管q404打开的同时，功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间断路，此时只有功率管q400和q403之间导通，电流从tec半导体制冷片的热端流向冷端，实现制冷的效果；当温度降低时，运算放大器ic400b的输出端的电压降低，输出端的电压降低至方向控制管q404的开启电压，功率管q400和q403和方向控制管q404均被关闭，功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间导通，功率管q401和q402打开，电流从tec半导体制冷片的冷端流向热端，实现加热的效果。
36.如图2所示，本实施例的控制电路部分采用了简化的模拟pid控制单元，这部分在大多数激光器温控电路中都有原型和应用，这里只使用了比例微积分中的比例积分部分，这样基本就可以覆盖绝大多数激光器的温控应用。pid参数调整与常规的pid参数调整步骤是一致的，由于不同的温控电路自身增益不同，所以参数也不尽相同。这里使用的简化的pid参数设置，仅使用了比例积分电路，频点设置为0.4hz。
37.功率驱动部分如图2所示，采用了非对称的h桥电路，其中制热方向功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间方向采用了一个限流电阻r419，使得h桥不平衡，限制了tec半导体制冷片的热搬运功率。当tec半导体制冷片处于制热状态时，其开启由一个上拉电阻r409完成，这部分是在开机上电时自动完成的。当pid控制单元开始工作时，会将工作
电流控制在平衡位置。当制冷开启时，pid控制单元输出，使得功率管q404开启，功率管q404的源极和漏极导通，使功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间不导通，使得实现制热功能的功率管q402和q401关闭，此时随着pid控制单元输出的增加，使得功率管q400和q403开启，启动制冷功能。
38.由原理可以看出，这个功率驱动场效应管并非工作在中间平衡点，所以每个对管在工作时所承载的功耗是不同的，发热也是不同的，此外，制冷和制热切换点也不是在中间点，而是在方向控制管q404的开启电压附近，也就是方向控制管q404的阈值附近，这就要求方向控制管q404的开启电压要合适，要略低于h桥功率管的开启电压。
39.由于一般激光器全温下温控电流不超过1.5a，峰值不超过3a，所以要求场效应管在板上持续散热能力不低于2w，温升不高于60℃。
40.在具体实施中，有两种实施例，一种是制热，另一种是制冷。
41.实施例1：
42.当温度降低时，热敏电阻r404阻值升高，运算放大器ic400b的反相输入端电压升高，使得运算放大器ic400b的输出端电压降低，直至电压低至方向控制管q404的开启电压。此时功率管q401和q402打开，电流反向流过tec半导体制冷片，实现加热功能。直至tec半导体制冷片温度平衡在设定温度。
43.实施例2：
44.当温度升高时，热敏电阻r404阻值降低，运算放大器ic400b的反相输入端电压降低，使得运算放大器ic400b的输出端电压升高，直至运放输出电压高于方向控制管q404的开启电压，此时功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间被关闭，当pid输出电压进一步升高，则开启功率管q400和q403，电流正向流过tec半导体制冷片，制冷功能实现。直至tec半导体制冷片温度与设定温度平衡，达到稳定状态。
45.本实用新型实施例的使用过程如下：
46.热敏电阻r404感受温度，当温度升高时，运算放大器ic400b的输出端的电压升高，输出端的电压升高至功率管q400和q403的开启电压，即也大于方向控制管q404的开启电压，方向控制管q404打开的同时，功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间断路，此时只有功率管q400和q403之间导通，电流从tec半导体制冷片的热端流向冷端，实现制冷的效果；当温度降低时，运算放大器ic400b的输出端的电压降低，输出端的电压降低至方向控制管q404的开启电压，功率管q400和q403和方向控制管q404均被关闭，功率管q402的栅极与方向控制管q404的漏极之间导通，电流从tec半导体制冷片的冷端流向热端，实现加热的效果。
47.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。