一种热电制冷冰箱的控制电路及方法与流程

1.本发明涉及热电制冷冰箱技术领域，更具体地说，涉及一种热电制冷冰箱的控制电路及控制方法。


背景技术：

2.随着当今居民的消费水平的提高，人们越来越崇尚休闲和高品质的生活，冰箱除了作为家用的必需品外，在其他室外休闲或住宿场合也成为了基本配置。根据配置冰箱的类型，这其中不仅包含传统的压缩机冰箱，也同时包含吸收式冰箱和热电制冷(即半导体)冰箱；特别是热电制冷冰箱，因其低成本、随意倾斜、重量轻等优势，使其在移动冰箱领域占有较大市场，例如酒店或零售市场。
3.热电制冷冰箱的制冷原理在于：利用帕尔帖制冷元件(即制冷片)和帕尔帖原理，通过直流电，再配置热交换器(如散热铝和风扇等)，便可以持续产生冷量。这使得该热电制冷冰箱可以具有以下优点：成本低、重量轻、易于制造成尺寸较小的冰箱；以及制冷系统不受方向影响，随意倾斜亦不影响制冷，从而特别适用于移动冰箱。然而，该热电制冷冰箱自身也具有以下缺点：比如必须使用dc电源供电；由此在使用时需要配置ac/dc适配器，成本会明显增加。
4.在现有的技术方案中，例如由附图1所示，通常采用一个ac/dc开关电源以及配置一个控制板来实现控制制冷片的供电电压来调整制冷功率。具体地，开关电源将交流(ac)转为固定直流(dc)电压，例如12v，并供给至控制板，该控制板(例如，通过其上设置的dc/dc降压电路)可以调整例如12v直流电压至不同的电压给制冷片，以用于控制冰箱温度。这种方案将不可避免地导致较高的电控成本。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于如何降低/节省该热电制冷冰箱的电控成本。为此本发明提出一种新的热电制冷冰箱的控制电路及方法。
6.根据本发明的第一方面，提供了一种热电制冷冰箱的控制电路，包括：
7.输出可调整开关电源，该输出可调整开关电源的输出电压用于为所述热电制冷冰箱的制冷片供电；
8.控制单元，该控制单元被配置为接收所述热电制冷冰箱的箱内温度、其设定温度以及当前供给至所述制冷片的工作电压，以根据该箱内温度、设定温度和工作电压生成并发送相应的控制信号；
9.其中该输出可调整开关电源包括对于输出电压进行采样的分压采样调整模块，其具有一分压采样端，该分压采样调整模块被配置为用于接收并根据该控制单元发送的相应的控制信号来调整分压，以产生该分压采样端处的电压；
10.其中该输出可调整开关电源还包括稳压模块、反馈模块和开关控制模块；
11.当该分压采样端处的电压小于该稳压模块中提供的基准电压时，该反馈模块被配
置为将比较结果反馈至该开关控制模块，从而通过该开关控制模块来控制输出电压的增加直至该分压采样端处的电压等于该基准电压；
12.当该分压采样端处的电压大于该稳压模块中提供的基准电压时，该反馈模块被配置为将比较结果反馈至该开关控制模块，从而通过该开关控制模块来控制输出电压的下降直至该分压采样端处的电压等于该基准电压。
13.根据本发明第一方面的热电制冷冰箱的控制电路，其通过控制单元采集数据参数，即该热电制冷冰箱的箱内温度、其设定温度以及当前供给至该热电制冷冰箱的制冷片的工作电压并根据该相关数据参数生成相应的控制信号并发送至开关电源，使得该开关电源能够根据该控制信号调整其供给至制冷片的输出电压，即形成输出可调整开关电源来给制冷片供电；从而无需使用现有技术中设置在控制板上的传统dc/dc降压电路，以使该热电制冷冰箱的电控成本得以显著降低。
14.另外，根据本发明第一方面的热电制冷冰箱的控制电路还可以具有如下附加的技术特征：
15.根据本发明的一个方面，根据控制单元发送的相应的控制信号，该分压采样调整模块中形成与该控制信号相对应的分压电阻组合来调整分压，以产生该分压采样端处的电压。
16.根据本发明的一个方面，该分压采样调整模块包括npn三极管、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻、以及滤波电容；其中该npn三极管的基极用于接收该控制单元生成并发送的相应的控制信号；其中该第一分压电阻与第二分压电阻串联，该第一分压电阻的一端连接至该输出可调整开关电源的输出电压端，该第二分压电阻的一端接地，该第三分压电阻与第四分压电阻串联，该第三分压电阻的一端连接至第一分压电阻与第二分压电阻的公共连接端，该第四分压电阻的一端连接至npn三极管的集电极；其中该滤波电容连接在第三分压电阻与第四分压电阻的公共连接端与地之间；其中第一分压电阻、第二分压电阻与第三分压电阻的公共连接端形成该分压采样调整模块的分压采样端。
17.根据本发明的一个方面，该稳压模块为三端稳压器，其中该三端稳压器的参考输入极连接至该分压采样调整模块的分压采样端。
18.根据本发明的一个方面，该反馈模块为光耦，其中该光耦包括发光二极管和处于电源高压主边的光敏三极管；以及该开关控制模块为内置有开关mosfet的pwm控制芯片；其中该发光二极管的阳极经由限流电阻连接至该输出可调整开关电源的输出电压端，该发光二极管的阴极连接至该三端稳压器的阴极；以及该光敏三极管的发射极连接至该pwm控制芯片的控制引脚。
19.根据本发明的一个方面，该控制单元为微控制器，该微控制器被配置为接收所述热电制冷冰箱的箱内温度、其设定温度以及当前供给至所述制冷片的工作电压，以根据该箱内温度、设定温度和工作电压生成并发送具有相应的占空比的pwm信号至分压采用调整模块。
20.根据本发明的一个方面，该输出可调整开关电源的输出电压端可以连接至升压控制电路的输入端，该升压控制电路的输出电压用于为热电制冷冰箱中的其余负载供电。
21.根据本发明的一个方面，该升压控制电路的输出电压端连接至线性稳压电路的输
入端，该线性稳压电路的输出电压用于为控制单元供电。
22.根据本发明的一个方面，该输出可调整开关电源与该控制单元均设置于该热电制冷冰箱的控制板。
23.根据本发明的第二方面，提供了一种热电制冷冰箱的控制方法，包括以下步骤：
24.s1、获取该热电制冷冰箱的箱内温度、其设定温度以及当前供给至该热电制冷冰箱的制冷片的工作电压；
25.s2、根据步骤s1所获取的箱内温度、设定温度和工作电压数据生成相应的控制信号；
26.s3、根据步骤s2生成的控制信号对于输出至该制冷片的电压进行采样和分压调整，以产生根据该控制信号经调整的分压采样电压；
27.s4、比较根据步骤s3产生的分压采样电压与基准电压的大小，若该分压采样电压小于该基准电压，则转至步骤s5，若该分压采样电压大于该基准电压，则转至步骤s6；
28.s5、控制输出至该制冷片的电压的增加直至使得该分压采样电压等于该基准电压；
29.s6、控制输出至该制冷片的电压的下降直至使得该分压采样电压等于该基准电压。
附图说明
30.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
31.附图1是现有技术中的热电制冷冰箱的控制方案的结构示意图；
32.附图2是具有根据本发明第一方面的控制电路的热电制冷冰箱的控制方案的结构示意图；
33.附图3是根据本发明第一方面的控制电路的功能模块框图；
34.附图4是根据本发明第一方面的控制电路中的输出可调整开关电源的电路图；
35.附图5是根据本发明第一方面的控制电路中的输出可调整开关电源的稳压环路和分压采样调整模块(即，取样电路)的部分电路图；
36.附图6是根据具有根据本发明第一方面的控制电路的热电制冷冰箱的控制方案的一种实施方式的功能模块框图；
37.附图7是附图6中示出的功能模块框图中的部分功能模块的电路图；
38.附图8是根据本发明第二方面的热电制冷冰箱的控制方法的流程图。
具体实施方式
39.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
40.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明进一步详细说明。
41.参见附图3和附图4，在本实施例中的控制电路，以输出可调整开关电源10的分压采样调整模块(即，取样电路)基本上主要由npn三极管t17和第一至第四分压电阻r19、r27、
r76和r77以及滤波电容e10构成、输出可调整开关电源10的稳压环路中的稳压模块选用三端稳压器u4、输出可调整开关电源10的稳压环路中的反馈模块选用光耦u2、开关控制模块选用内置有开关mosfet的pwm控制芯片u3以及控制单元选用微控制器20为例。
42.参见附图4并结合附图5来进一步描述根据本发明的控制电路中相关主要模块的结构和连接关系。所述npn三极管t17的引脚1，即基极，形成微控制器20输出的控制信号的接收端，例如在微控制器20的控制信号输出端与该npn三极管t17的接地的引脚2，即发射极，之间串联两个相串联的电阻，其中该npn三极管t17的基极连接至该两个电阻的公共连接端；该第一分压电阻r19与第二分压电阻r27串联，该第一分压电阻r19的一端连接至该输出可调整开关电源的输出电压端vdd，该第二分压电阻r27的一端接地，该第三分压电阻r76与第四分压电阻r77串联，该第三分压电阻r76的一端连接至第一分压电阻r19与第二分压电阻r27的公共连接端，该第四分压电阻r77的一端连接至npn三极管t17的引脚3，即集电极；其中该滤波电容e10连接在第三分压电阻r76与第四分压电阻r77的公共连接端与地之间；其中第一分压电阻r19、第二分压电阻r27与第三分压电阻r76的公共连接端形成了分压采样端r。所述三端稳压器u4的引脚2，即参考输入极，连接至分压采样端r；该光耦u2包括发光二极管和处于电源高压主边的光敏三极管，该光耦u2的引脚1，即发光二极管的阳极，经由限流电阻r18连接至该输出可调整开关电源的输出电压端vdd，该光耦u2的引脚2，即发光二极管的阴极，连接至该三端稳压器u4的引脚1，即阴极；以及该光耦的引脚3，即该光敏三极管的发射极，连接至该pwm控制芯片u3的控制引脚c，而内置在pwm控制芯片u3中的开关mosfet用于控制该输出可调整开关电源10的功率变换电路的工作。
43.如附图3和附图4所示的控制电路的实施例的具体工作原理是：
44.微控制器20进行数据采集，例如通过ntc传感器采集热电制冷冰箱的箱内温度tc、通过操作面板采集设定温度ts和通过电阻采样采集当前供给至制冷片30的工作电压vc(即当前供给至制冷片的输出电压vdd)，该微控制器20则进一步对箱内温度tc和设定温度ts进行比较并判断是否需要对于由开关电源10供应至制冷片30的电压进行调整，其根据比较和判断结果生成具有相应的占空比的pwm信号；该分压采样调整模块(即，取样电路)的npn三极管t17的基极接收该具有相应的占空比的pwm信号，经过电容e10滤波之后，第一分压电阻r19、第二分压电阻r27、第三分压电阻r76和第四分压电阻r77则形成与该具有相应的占空比的pwm信号相对应的分压电阻组合，具体地，第二分压电阻r27、第三分压电阻r76和第四分压电阻r77根据pwm信号的占空比组成组合分压电阻r
pwm
:
[0045][0046]
而该组合分压电阻r
pwm
则与第一分压电阻r19相串联，以对于开关电源10的输出电压vdd进行采样和分压调整，从而得出分压采样端r处的电压ur：
[0047]
该三端稳压器u4的参考输入极(引脚2)处的电压即为ur。
[0048]
例如，当该微控制器20对箱内温度tc和设定温度ts进行比较并判断需要增加当前由开关电源10供应至制冷片30的电压时，其生成具有增加的占空比的pwm信号；该分压采样
调整模块(即，取样电路)的npn三极管t17的基极接收该具有增加的占空比的pwm信号，经过电容e10滤波之后，第一分压电阻r19、第二分压电阻r27、第三分压电阻r76和第四分压电阻r77则以如上所述的方式形成与该具有增加的占空比的pwm信号相对应的分压电阻组合并对于开关电源10的输出电压vdd进行采样和分压调整，从而得出分压采样端r(也即三端稳压器u4的参考输入极，即引脚2)处的电压ur；该电压ur将小于该三端稳压器u4中提供的基准电压u
ref
(例如，为2.5v)，则导致通过光耦u2的发光二极管的电流(即如附图5中示出的流过发光二极管和三端稳压器的采样电流i)变小，由此该发光二极管的发光强度减弱，使得光敏三极管的发射极电流减小，该减小的电流被反馈至pwm控制芯片u3的控制引脚c，该pwm控制芯片u3则相应地增加开关mosfet的pwm占空比，来调整功率变换电路(例如高频变压器)的工作，通过电压变换输出不同的电压波形，再通过整流滤波得到增加的直流输出电压vdd直至电压ur等于基准电压u
ref
；从而实现对于制冷片的工作电压的增加控制。
[0049]
例如，当该微控制器20对箱内温度tc和设定温度ts进行比较并判断需要降低当前由开关电源10供应至制冷片30的电压时，其生成具有降低的占空比的pwm信号；该分压采样调整模块(即，取样电路)的npn三极管t17的基极接收该具有降低的占空比的pwm信号，经过电容e10滤波之后，第一分压电阻r19、第二分压电阻r27、第三分压电阻r76和第四分压电阻r77则以如上所述的方式形成与该具有降低的占空比的pwm信号相对应的分压电阻组合并对于开关电源10的输出电压vdd进行采样和分压调整，从而得出分压采样端r(也即三端稳压器u4的参考输入极，即引脚2)处的电压ur；该电压ur将大于该三端稳压器u4中提供的基准电压u
ref
(例如，为2.5v)，则导致通过光耦u2的发光二极管的电流(即如附图5中示出的流过发光二极管和三端稳压器的采样电流i)变大，由此该发光二极管的发光强度增强，使得光敏三极管的发射极电流增加，该增加的电流被反馈至pwm控制芯片u3的控制引脚c，该pwm控制芯片u3则相应地降低开关mosfet的pwm占空比，来调整功率变换电路(例如高频变压器)的工作，通过电压变换输出不同的电压波形，再通过整流滤波得到下降的直流输出电压vdd直至电压ur等于基准电压u
ref
；从而实现对于制冷片的工作电压的下降控制。
[0050]
例如，当该微控制器20对箱内温度tc和设定温度ts进行比较并判断可以维持当前由开关电源10供应至制冷片30的电压时，其可以维持当前占空比的pwm信号，使得电压ur维持等于该三端稳压器中提供的基准电压；从而实现对于制冷片的工作电压的维持控制。
[0051]
根据本实施例的控制电路，通过微控制器对箱内温度tc和设定温度ts进行比较并由此判断是否需要增加、下降或维持当前由开关电源供应至制冷片的电压，来生成具有相应占空比大小的pwm信号，使得该开关电源的分压采样调整模块中的分压电阻能够根据相应占空比形成与之相对应的分压电阻组合，以产生相应调整后的分压采样端(其在一定程度上可以被认为是形成了输出电压调整控制端)处的电压ur，而根据该电压ur调整开关电源供给至制冷片的输出电压，即形成输出可调整开关电源来给制冷片供电；从而无需使用现有技术中设置在控制板上的传统的dc/dc降压电路，使得能够以更具成本效益和改善效率的方式实现对于热电制冷冰箱的控制。
[0052]
下面参照一组示例性实例来进一步解释根据本发明的控制电路的具体工作原理：
[0053]
在该实例中，开关电源10的电压输出可调整在例如5.5-12v之间，而微控制器20实时采集当前箱内温度tc、设定温度ts和制冷片工作电压vc，旨在将箱内温度tc控制在[ts-0.5℃，ts 0.5℃]的范围内。
[0054]
例如，当微控制器20对于箱内温度tc和设定温度ts进行比较并得出tc≥ts 0.5℃时，若采集到当前工作电压vc为零(即处于停机状态)，则微控制器可以发送具有相应占空比的pwm信号，例如具有38％占空比的pwm信号使得分压采样调整模块中的具有相应设定阻值的分压电阻根据该占空比形成分压电阻组合，以产生相应调整后的分压采样端处的电压ur，并根据该电压ur控制升高开关电源供给至制冷片的输出电压vdd至8v，如若运行十分钟后箱内温度仍未达到上述目标范围内，则该微控制器可以发送具有增加的占空比的pwm信号，例如具有100％占空比的pwm信号使得分压采样调整模块中的具有相应设定阻值的分压电阻根据该占空比形成分压电阻组合(即r76/r77相串联并与r27并联后再与r19串联)，以产生相应调整后的分压采样端处的电压ur，并根据该电压ur控制升高开关电源供给至制冷片的输出电压vdd至全压12v，以产生最大的制冷量和最快的制冷速度；而若采集到的当前工作电压vc并不为零(即未处于停机状态)，则微控制器将当前pwm信号的占空比升高至100％以控制升高开关电源供给至制冷片的输出电压vdd至全压12v，从而产生最大的制冷量和最快的制冷速度。
[0055]
当微控制器20对于箱内温度tc和设定温度ts进行比较并得出ts-0.5℃≤tc《ts 0.5℃时，可以采用模糊pid调节；如若箱内温度tc下降，则该微控制器发送具有降低的占空比的pwm信号以控制降低开关电源供给至制冷片的输出电压vdd，如若箱内温度tc升高，则该微控制器发送具有增加的占空比的pwm信号以控制升高开关电源供给至制冷片的输出电压vdd，直至箱内温度tc稳定。而在此期间通过使用pid调节能够保证箱内温度的波动最小。
[0056]
当微控制器20对于箱内温度tc和设定温度ts进行比较并得出tc《ts-0.5℃时，该微控制器可以发送占空比为0的pwm信号使得分压采样调整模块中的具有相应设定阻值的分压电阻根据该占空比形成分压电阻组合(即仅r27与r19串联)，以产生相应调整后的分压采样端处的电压ur，并根据该电压ur控制降低开关电源供给至制冷片的输出电压vdd至最低压5.5v，或者直接控制制冷片关断(即vc为零)以处于停机状态。
[0057]
此外或可替换地，在该控制电路的示例性实例的一种可选实施方式中，开关电源供给至制冷片的输出电压vdd可以由微控制器发送的pwm信号的占空比控制为以步阶形式逐步进行调整(即以步阶形式升高或下降)，以在一定程度上避免制冷片上的电压出现过大的波动。例如，当采集到tc≥ts 0.5℃时，则微控制器可以将当前pwm信号的占空比升高以控制开关电源供给至制冷片的输出电压vdd增加0.5v并维持该占空比一定周期(比如一分钟)，而若仍采集到tc≥ts 0.5℃，则微控制器可以进一步升高pwm信号的占空比以控制开关电源供给至制冷片的输出电压vdd再增加0.5v并维持该占空比一定周期(比如一分钟)，如此直至采集到ts-0.5℃≤tc《ts 0.5℃。当ts-0.5℃≤tc《ts 0.5℃时，如若箱内温度tc下降，则微控制器可以将当前pwm信号的占空比降低以控制开关电源供给至制冷片的输出电压vdd下降0.5v并维持该占空比一定周期(比如一分钟)，若箱内温度tc仍下降，则微控制器可以进一步降低pwm信号的占空比以控制开关电源供给至制冷片的输出电压vdd再下降0.5v并维持该占空比一定周期(比如一分钟)；如若箱内温度tc升高(比如由箱门被打开或者在箱内放入新的内容物引起)，则该微控制器发送具有增加的占空比的pwm信号以控制开关电源供给至制冷片的输出电压vdd升高0.5v；由此以步阶形式逐步进行调整直至箱内温度tc稳定。然而，应理解的是，上述电压调整步阶和维持周期仅仅是起到说明性的作用，也可以采用其他任意可行的电压调整步阶和维持周期。
[0058]
在附图6和附图7所示的具有根据第一方面的控制电路的热电制冷冰箱的控制方案的一种实施方式中，该输出可调整开关电源10的输出电压端此外还可以连接至升压控制电路40的输入端。具体地，该升压控制电路40包括用于储能的第一电感l1和升压芯片u7(boost电路)，以使得该开关电源10的可调整(可变)输出电压能够经由该升压控制电路而稳定在12v(即升压控制电路稳定地输出12v电压)，从而能够实现为热电制冷冰箱中的其余负载供电。该其余负载可以认为是指代冰箱中除制冷片之外的冰箱负载，例如内灯或风机等。这保证了开关电源可以根据所收集的数据参数来调整输出至制冷片的电压的同时还能够与升压控制电路相配合来实现冰箱中的其他负载的稳定可靠的工作。此外，该升压控制电路40的输出电压端还可以进一步连接至线性稳压电路50的输入端。具体地，该线性稳压电路50包括线性稳压芯片u1，以使得该升压控制电路10稳定输出的12v电压能够经由该线性稳压电路而降压稳定在5v(即线性稳压电路稳定地输出5v电压)，从而能够实现为控制单元(例如微控制器)供电。这保证了开关电源可以根据所收集的数据参数来调整输出至制冷片的电压的同时还能够与升压控制电路相配合来实现冰箱中的其他负载的稳定可靠的工作以及与线性稳压电路相配合来实现微控制器的稳定可靠的工作。换言之，对于制冷片的可变供电、对于冰箱其余负载的12v稳定供电以及对于微控制器的5v稳定供电之间并不存在相互影响。
[0059]
此外或可替换地，例如如附图2所示，该输出可调整开关电源10可以与该热电制冷冰箱的控制板60合并。具体地，该开关电源10与该控制单元，例如微控制器20，均设置于该热电制冷冰箱的控制板60，使得对于控制板60的安装即可实现对于控制电路的安装，从而避免了控制板再外接开关电源的需要。
[0060]
可替换地，在本发明的控制电路的一可选实施例中，分压采样调整模块中的npn三极管可以是带阻三极管。或者，在本发明的控制电路的另一可选实施例中(未图示)，分压采样调整模块中的npn三极管例如可以由nmos管代替。
[0061]
根据本发明第二方面还提供了一种控制方法，包括：
[0062]
首先，在步骤s1中，获取该热电制冷冰箱的箱内温度tc、其设定温度ts以及当前供给至该热电制冷冰箱的制冷片的工作电压vc；例如，可以通过ntc传感器采集箱内温度tc、通过操作面板采集设定温度ts和通过电阻采样采集工作电压vc；
[0063]
随后，在步骤s2中，根据所获取的箱内温度tc、设定温度ts和工作电压vc数据生成相应的控制信号；例如，对箱内温度tc和设定温度ts进行比较并判断是否需要对于工作电压vc进行调整，从而可以根据比较和判断结果生成比如具有相应的占空比的pwm信号的控制信号；
[0064]
随后，在步骤s3中，根据生成的控制信号，比如具有相应的占空比的pwm信号，对于输出至该制冷片的电压进行采样和分压调整，以产生根据该控制信号，比如该控制信号的占空比，经调整的分压采样电压ur；
[0065]
随后，在步骤s4中，比较产生的分压采样电压ur与基准电压u
ref
的大小，若该分压采样电压ur小于该基准电压u
ref
，则转至步骤s5，若该分压采样电压ur大于该基准电压u
ref
，则转至步骤s6；
[0066]
在步骤s5中，控制输出至该制冷片的电压的增加直至使得该分压采样电压ur等于该基准电压u
ref
，以用于控制箱内温度tc；
[0067]
s6、控制输出至该制冷片的电压的下降直至使得该分压采样电压ur等于该基准电压u
ref
，以用于控制箱内温度tc。
[0068]
在发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”和“第四”特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0069]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行组合、变化、修改、替换和变型。