热电致冷致热器的控制器及控制方法与流程

1.本发明涉及电子电路领域，更具体地，涉及热电致冷致热器的控制器及控制方法。


背景技术：

2.热电致冷致热器(thermoelectric cooler，缩写为tec)是利用珀耳帖效应进行温度控制的器件。热电致冷致热器包括位于电流路径上的两种导体或半导体，随着电流方向的改变，在两种导体或半导体的连接端表现出吸热或放热现象，从而可以调节环境温度。控制器向热电致冷致热器提供正向驱动电流以抽取热量从而工作于冷却模式，或者，控制器向热电致冷致热器提供反向驱动电流以供给热量从而工作于加热模式。商用的热电致冷致热器例如采用碲酸铋半导体。
3.在光通信、红外传感、医用和家用冷热水器等领域，热电致冷致热器可以用作高精度的温度控制器件。图1示出采用热电致冷致热器控制激光波长的光通信模块100。控制器110与热电致冷致热器120相连接以提供驱动电流ia，与温度传感器130相连接以获得温度检测信号vs，激光器10与热电致冷致热器120相邻。热电致冷致热器120的温度调节能力与驱动电流ia的方向和/或大小相关。控制器110根据温度检测信号控制热电致冷致热器120的驱动电流ia，从而可以精确控制环境温度，进一步控制激光器10的激光波长。因此，控制器110在光通信模块100中是调节激光波长的关键模块。
4.热电致冷致热器的温度调节能力是珀耳帖效应和电阻热效应的叠加效应，因而表现出非单调特性，如图2所示。在致冷模式下，热电致冷致热器120的致冷能力和自发热随着正向驱动电流的增大而增大，热电致冷致热器120的自发热甚至超过致冷能力，反而在正向驱动电流下导致环境温度升高。在致热模式下，热电致冷致热器120则可能导致激热而损坏器件。现有的热电致冷致热器的控制器仍然存在着电路结构复杂、芯片尺寸大、电路效率低、温度调节的单调性差、以及激热损坏器件的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供热电致冷致热器的控制器及控制方法，在致冷模式下采用开关电源提供连续输出以改善单调性，在致热模式下采用恒流恒压电源提供脉冲输出以提高电路效率和提供保护功能。
6.根据本发明的一方面，提供一种热电致冷致热器的控制器，包括：开关电源，与所述热电致冷致热器相连接以提供第一驱动电流；以及恒流恒压电源，与所述热电致冷致热器相连接以提供第二驱动电流，其中，根据温度检测信号，所述开关电源和所述恒流恒压电源之一工作，所述第一驱动电流为连续驱动电流且从所述热电致冷致热器的正端流向负端，所述第二驱动电流为脉冲驱动电流且从所述热电致冷致热器的负端流向正端。
7.优选地，在所述温度检测信号高于温度设定信号时，所述控制器工作于致冷模式，其中，所述开关电源工作且所述恒流恒压电源关断，在所述温度检测信号低于温度设定信号时，所述控制器工作于致热模式，其中，所述开关电源关断且所述恒流恒压电源工作。
8.优选地，所述第一驱动电流的电流值对应于所述温度检测信号相对于温度设定信号的偏差，所述第二驱动电流的占空比对应于所述温度检测信号相对于温度设定信号的偏差。
9.优选地，所述热电致冷致热器的正端接地，负端连接至所述控制器的驱动端。
10.优选地，所述开关电源为buck拓扑结构，并且在所述驱动端提供反向驱动电流作为所述第一驱动电流。
11.优选地，所述开关电源包括：第一开关管和第二开关管，彼此串联连接在供电端和驱动端之间；以及电感，连接在所述第一开关管和所述第二开关管的中间节点和所述接地端之间。
12.优选地，所述恒流恒压电源包括：调整管，连接在供电端和驱动端之间，在所述驱动端提供正向驱动电流作为所述第二驱动电流。
13.优选地，所述热电致冷致热器的负端连接至供电端，正端连接至所述控制器的驱动端。
14.优选地，所述开关电源为boost拓扑结构，并且在所述驱动端提供正向驱动电流作为所述第一驱动电流。
15.优选地，所述恒流恒压电源包括：调整管，连接在供电端和驱动端之间，在所述驱动端提供负向驱动电流作为所述第二驱动电流。
16.优选地，所述第二驱动电流具有恒定的电压值和电流值，与所述热电致冷致热器的额定参数相匹配。
17.根据本发明的另一方面，提供一种热电致冷致热器的控制方法，包括：根据温度检测信号，判断所述热电致冷致热器的工作模式为致冷模式和致热模式之一；在所述致冷模式中，向所述热电致冷致热器提供第一驱动电流，所述第一驱动电流为连续驱动电流且从所述热电致冷致热器的正端流向负端；以及在所述致热模式中，向所述热电致冷致热器提供第二驱动电流，所述第二驱动电流为脉冲驱动电流且从所述热电致冷致热器的负端流向正端。
18.优选地，所述第一驱动电流的电流值对应于所述温度检测信号相对于温度设定信号的偏差，所述第二驱动电流的占空比对应于所述温度检测信号相对于温度设定信号的偏差。
19.优选地，所述热电致冷致热器的正端接地，负端连接至所述控制器的驱动端。
20.优选地，采用buck拓扑结构的开关电源在所述驱动端提供反向驱动电流作为所述第一驱动电流。
21.优选地，采用恒流恒压电源在所述驱动端提供正向驱动电流作为所述第二驱动电流。
22.优选地，所述热电致冷致热器的负端连接至供电端，正端连接至所述控制器的驱动端。
23.优选地，采用buck拓扑结构的开关电源在所述驱动端提供反向驱动电流作为所述第一驱动电流。
24.优选地，采用恒流恒压电源在所述驱动端提供正向驱动电流作为所述第二驱动电流。
25.优选地，所述第二驱动电流具有恒定的电压值和电流值，与所述热电致冷致热器的额定参数相匹配。
26.根据本发明的控制器，根据温度检测信号，所述开关电源和所述恒流恒压电源之一工作。在开关电源和恒流恒压电源中的一个电源工作期间，另一个电源中无需采用附加的开关管提供电流路径，可以减少控制器中功率管的数量。因此，控制器的电路结构简化、芯片尺寸小。
27.进一步地，在致冷模式和致热模式下采用非对称驱动方案，开关电源在致冷模式中产生连续驱动电流，恒流恒压电源在致热模式中产生脉冲驱动电流。在致热模式下，由于采用脉冲驱动电流，因此可以减少热电致冷致热器的自发热，从而防止激热而损坏周围环境中的器件。
28.在优选的实施例中，恒流恒压电源产生的脉冲驱动电流具有恒定的电压值和电流值，与热电致冷致热器的额定参数相匹配，因而可以优化热电致冷致热器的致热效率。
29.在优选的实施例中，开关电源为buck拓扑结构，热电致冷致热器的正端和开关电源的电感均连接至接地端。开关电源在控制芯片的驱动端提供反向驱动电流，恒流恒压电源在控制芯片的驱动端提供正向驱动电流。在该控制器中，功率管的数量可以减少至3个，包括仅仅两个开关管和一个调整管。因此，控制器的电路结构简化、芯片尺寸小。
附图说明
30.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
31.图1示出采用热电致冷致热器控制激光波长的光通信模块。
32.图2示出热电致冷致热器的工作电流与温度调节能力的曲线图。
33.图3示出根据现有技术的一种热电致冷致热器的控制器的示意性框图。
34.图4示出根据现有技术的另一种热电致冷致热器的控制器的示意性框图。
35.图5示出实施例的热电致冷致热器的控制器的示意性框图。
36.图6示出根据本发明第二实施例热电致冷致热器的控制器的示意性框图。
37.图7示出根据本发明第三实施例热电致冷致热器的控制芯片的示意性电路图。
38.图8示出根据本发明第三实施例热电致冷致热器的控制芯片的工作波形图。
具体实施方式
39.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
40.图3示出根据现有技术的一种热电致冷致热器的控制器的示意性框图。
41.控制器110包括运算放大器111、开关电源112和线性调节器113。运算放大器111的第一输入端接收温度参考信号vt，第二端接收温度检测信号vs，输出端提供误差信号。温度检测信号vs例如是采用温度传感器获得的检测信号，用于表征在热电致冷致热器附近的环境温度。温度参考信号vt用于表征热电致冷致热器附近的设定温度。开关电源112的输出端
连接至热电致冷致热器120的负端，线性调节器113的输出端连接至热电致冷致热器120的正端。开关电源112和线性调节器113分别接收误差信号。
42.在误差信号指示环境温度高于设定温度时，控制器工作于致冷模式，其中，线性调节器113工作以提供驱动电流ia，开关电源112的内部开关管将热电致冷致热器120的负端接地以吸收驱动电流ia。该驱动电流ia是从热电致冷致热器120的正端流至负端的正向驱动电流，从而抽取热量以降低环境温度。
43.在误差信号指示环境温度低于设定温度时，控制器工作于致热模式，其中，开关电源112工作以提供驱动电流ia，线性调节器113的内部开关管将热电致冷致热器120的正端接地以吸收驱动电流ia。该驱动电流ia是从热电致冷致热器120的负端流至正端的反向驱动电流，从而供给热量以升高环境温度。
44.在该现有技术的控制器中，开关电源112和线性调节器113至少包括4个开关管以组成h桥，在开关电源112和线性调节器113之一提供驱动电流时，另一个吸收驱动电流。因此，控制器的电路结构复杂、芯片尺寸大。另一方面，不论在致冷模式还是致热模式，开关电源112和线性调节器113之一均提供连续驱动电流。然而，在致热模式下，连续驱动电流将导致热电致冷致热器120的严重自发热，甚至由于激热而损坏器件。
45.图4示出根据现有技术的另一种热电致冷致热器的控制器的示意性框图。
46.控制器210包括运算放大器211、开关电源212和全桥开关213。运算放大器211的第一输入端接收温度参考信号vt，第二端接收温度检测信号vs，输出端提供误差信号。全桥开关213连接在开关电源112和热电致冷致热器120之间。开关电源212和全桥开关213分别接收误差信号。开关电源212根据误差信号产生相应大小的驱动电流，全桥开关213根据误差信号的极性选择驱动电流的方向。
47.在误差信号指示环境温度高于设定温度时，控制器工作于致冷模式，其中，开关电源212工作以提供驱动电流ia，全桥开关213选择驱动电流ia的方向，使得驱动电流ia是从热电致冷致热器120的正端流至负端的正向驱动电流，从而抽取热量以降低环境温度。
48.在误差信号指示环境温度低于设定温度时，控制器工作于致热模式，其中，开关电源212工作以提供驱动电流ia，全桥开关213选择驱动电流ia的方向，使得驱动电流ia是从热电致冷致热器120的负端流至正端的反向驱动电流，从而供给热量以升高环境温度。
49.在该现有技术的控制器中，开关电源212至少包括2个开关管以组成buck拓扑，全桥开关213至少包括4个开关管以组成全桥，以实现驱动电流方向的切换。因此，控制器的电路结构复杂、芯片尺寸大。另一方面，不论在致冷模式还是致热模式，开关电源212均提供连续驱动电流。然而，在致热模式下，连续驱动电流将导致热电致冷致热器120的严重自发热，甚至由于激热而损坏器件。
50.图5示出实施例的热电致冷致热器的控制器的示意性框图。如图5所示，热电致冷致热器120的正端接地，负端连接至控制器310的驱动端。
51.控制器310包括运算放大器311、开关电源312和恒流恒压电源313。运算放大器311的第一输入端接收温度参考信号vt，第二端接收温度检测信号vs，输出端提供误差信号。开关电源312和恒流恒压电源313的输出端分别连接至控制器310的驱动端。开关电源312和恒流恒压电源313分别接收误差信号。开关电源312例如为buck拓扑结构的功率变换器。
52.在误差信号指示环境温度高于设定温度时，控制器工作于致冷模式，其中，恒流恒
压电源313关断，开关电源312工作以吸收驱动电流ia，该驱动电流ia是从热电致冷致热器120的正端流至负端的正向驱动电流，从而抽取热量以降低环境温度。开关电源312在致冷模式中产生连续驱动电流。
53.在误差信号指示环境温度低于设定温度时，控制器工作于致热模式，其中，开关电源312关断，恒流恒压电源313工作以提供驱动电流ia，该驱动电流ia是从热电致冷致热器120的负端流至正端的反向驱动电流，从而供给热量以升高环境温度。恒流恒压电源313在致热模式中产生脉冲驱动电流。
54.在该实施例的控制器中，开关电源312和恒流恒压电源313选择性地工作。控制器无需采用附加的开关管提供电流路径，可以减少控制器中功率管的数量。因此，控制器的电路结构简化、芯片尺寸小。
55.进一步地，在致冷模式和致热模式下采用非对称驱动方案，开关电源312在致冷模式中产生连续驱动电流，恒流恒压电源313在致热模式中产生脉冲驱动电流。在致热模式下，由于采用脉冲驱动电流，因此可以减少热电致冷致热器120的自发热，从而防止激热而损坏周围环境中的器件。
56.进一步地，恒流恒压电源313产生的脉冲驱动电流具有恒定的电压值和电流值，与热电致冷致热器的额定参数相匹配，因而可以优化热电致冷致热器120的致热效率。
57.图6示出根据本发明第二实施例热电致冷致热器的控制器的示意性框图。如图6所示，热电致冷致热器120的负端连接至供电端vcc，正端连接至控制器410的驱动端。
58.控制器410包括运算放大器411、开关电源412和恒流恒压电源413。运算放大器411的第一输入端接收温度参考信号vt，第二端接收温度检测信号vs，输出端提供误差信号。开关电源412和恒流恒压电源413的输出端分别连接至控制器410的驱动端。开关电源412和恒流恒压电源413分别接收误差信号。开关电源412例如为boost拓扑结构的功率变换器。
59.在误差信号指示环境温度高于设定温度时，控制器工作于致冷模式，其中，恒流恒压电源413关断，开关电源412工作以提供驱动电流ia，该驱动电流ia是从热电致冷致热器120的正端流至负端的正向驱动电流，从而抽取热量以降低环境温度。开关电源412在致冷模式中产生连续驱动电流。
60.在误差信号指示环境温度低于设定温度时，控制器工作于致热模式，其中，开关电源412关断，恒流恒压电源413工作以吸收驱动电流ia，该驱动电流ia是从热电致冷致热器120的负端流至正端的反向驱动电流，从而供给热量以升高环境温度。恒流恒压电源413在致热模式中产生脉冲驱动电流。
61.根据第二实施例的控制器与第一实施例的控制器类似，控制器的电路结构简化、芯片尺寸小。在致热模式下，由于采用脉冲驱动电流，因此可以防止激热而损坏周围环境中的器件，脉冲驱动电流具有恒定的电压值和电流值，因而可以优化热电致冷致热器120的致热效率。
62.图7示出根据本发明第三实施例热电致冷致热器的控制芯片的示意性电路图。该控制芯片的电路结构与图5所示的控制器的电路结构一致。
63.控制芯片20经由多个端子接收多个输入信号和提供多个输出信号。控制芯片20经由供电端vcc接收输入电压，经由接地端gnd接地，经由参考端ref接收温度参考信号vt。热电致冷致热器120的正端接地，负端连接至控制芯片20的驱动端tech。电容ci连接在端子
vcc和gnd之间，用于对输入电压进行滤波。电容co连接在热电致冷致热器120的正端和负端之间，用于对输出电压进行滤波。
64.控制芯片20包括控制模块21、第一驱动模块22、第二驱动模块23、开关管q1和q2、以及调整管q3。控制模块21经由端子sdae和scla与i2c总线连接，以实现与外路模块之间的数据通信，经由端子tsns与温度传感器相连接以接收温度检测信号vs。
65.控制模块21例如包括上述运算放大器的功能，基于温度检测信号vs与温度参考信号vt的误差信号产生第一控制信号和第二控制信号。第一驱动模块22与控制模块21相连接以接收第一控制信号，以及根据第一控制信号产生第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号。第二驱动模块23与控制模块21相连接以接收第二控制信号，以及根据第二控制信号产生第三栅极驱动信号。
66.开关电源包括位于控制芯片20内部和外部的多个器件。在控制芯片20的内部，开关管q1和q2串联连接在供电端vcc和驱动端tech之间，二者的中间节点连接至端子sw。在控制芯片20的外部，电感l连接在端子sw和接地端gnd之间。开关管q1和q2以及电感l形成buck拓扑结构。第一驱动模块22提供第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号，用于分别控制开关管q1和q2的导通状态。与现有技术的控制器中的开关电源不同，该开关电源的电感接地，以提供反向驱动电流。因此，在开关电源的工作状态下，开关电源在驱动端tech吸收驱动电流，从而提供正向驱动电流。
67.恒流恒压电源包括位于控制芯片20内部的多个器件。调整管q3连接在供电端vcc和驱动端tech之间。第二驱动模块23提供第三栅极驱动信号，用于控制调整管q3的导通状态以产生脉冲驱动电流。第二驱动模块23进一步控制调整管q3在导通时的工作点，以使脉冲驱动电流具有恒定的电压值和电流值，与热电致冷致热器的额定参数相匹配。因此，在恒压恒流电源的工作状态下，开关电源在驱动端tech提供驱动电流，从而提供反向驱动电流。
68.在该实施例的控制芯片中，开关电源为buck拓扑结构，热电致冷致热器的正端和开关电源的电感均连接至接地端，因而在控制芯片的驱动端提供反向驱动电流。恒流恒压电源的调整管在控制芯片的驱动端提供正向驱动电流。根据温度检测信号，所述开关电源和所述恒流恒压电源之一工作，因此，在控制芯片中无需采用附加的开关管提供电流路径，可以将控制器中功率管的数量减少至3个，包括仅仅两个开关管和一个调整管。因此，控制器的电路结构简化、芯片尺寸小。
69.图8示出根据本发明第三实施例热电致冷致热器的控制芯片的工作波形图。
70.如上所述，控制芯片20中的控制模块21基于温度检测信号vs与温度参考信号vt的误差信号产生第一控制信号和第二控制信号。第一驱动模块22根据第一控制信号产生第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号，第二驱动模块23根据第二控制信号产生第三栅极驱动信号。
71.在误差信号指示环境温度高于设定温度时，第一驱动模块22控制开关管q1和q2交替导通和断开，使得开关电源工作，第二驱动模块23控制调整管q3关断，使得恒流恒压电源关断。开关电源在驱动端tech吸收驱动电流，该驱动电流ia是从热电致冷致热器120的正端流至负端的正向驱动电流，从而抽取热量以降低环境温度。该正向驱动电流为连续驱动电流并且电流值与误差信号的大小相对应。
72.在误差信号指示环境温度低于设定温度时，第一驱动模块22控制开关管q1和q2关
断，使得开关电源关断，第二驱动模块23控制调整管q3周期性地导通和断开，使得恒流恒压电源工作。恒流恒压电源在驱动端tech提供驱动电流，该驱动电流ia是从热电致冷致热器120的负端流至正端的反向驱动电流，从而供给热量以升高环境温度。该反向驱动电流为脉冲驱动电流并且占空比与误差信号的大小相对应。
73.此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
74.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。