CN113568449B - 一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，属于半导体温控电路技术领域，包括微处理器、桥驱动电路、H桥电路、LCR滤波电路、桥臂电流检测电路、桥臂电压检测电路、冷端温度传感器、冷端温度检测电路、热端温度传感器、热端温度检测电路、风扇以及风扇驱动调速电路，其中桥臂电流检测电路包括精密电流检测电阻和电流检测放大器；微处理器设有ADC接口、SPI接口和外部通信接口，实现外部信号的读取、风扇风速的调节以及与上位机的通信。本发明可实现大靶面探测器大制冷功率、大温差控制，制冷效率高，制冷温度最低可到达‑50℃。

Description

一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路

技术领域

本发明涉及半导体温控电路技术领域，特别是涉及一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路。

背景技术

随着半导体工艺技术的成熟和天文观测应用的需求不断发展，探测器的尺寸越来越大，由最初几毫米的成像区域逐渐发展到现在几十毫米的成像区域，辰芯公司设计的大面阵、科学级、背照式CMOS图像传感器，已达到6K×6K分辨率，最高帧频可达26fps，感光面积达到61.44mm x61.44mm，其峰值功耗达到5W，这对探测器的制冷提出了新的挑战。探测器暗电流指标主要受温度影响，当在室温25℃时暗电流为20e-/pixel/sec，当采用深度制冷技术控制焦平面温度达到-55℃时暗电流为0.02e-/pixel/sec，暗电流降低了1000倍，可见，采用真空深度制冷技术抑制暗电流，提高信噪比，是提高大靶面探测器成像质量和探测能力的最有效途径。

公开号为CN111327809A的发明专利提供一种实现成像终端真空制冷的电路结构，包括焦平面组件、电源及成像控制组件和温控制冷组件，只将CMOS光电探测器置于真空结构中，减少了所需真空部分的体积，更有利于高可靠密封和实现真空制冷。通过柔性电路板穿过密闭腔体与后端电路***连接，真空腔体内无电子器件释放气体，真空度可长期保持，重复使用无需携带真空抽气机。同时，具有结构简单、后续电路升级调试方便、可靠性高的特点。

公开号为CN111403504A的发明专利为解决现有探测器制冷装置结构复杂，体积较大，进而影响探测器的制冷效果等问题，提供一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷装置，包括大靶面探测器、冷板、阵列多级半导体制冷器和热沉。使用多级半导体制冷阵列式排布，同时满足探测器大制冷量和大温差的制冷需求，半导体热端与热沉之间、半导体热端与冷板之间使用低温焊料焊接的方式连接，冷板与探测器之间使用高导热的环氧树脂粘接，这种连接方式可以大大的降低热阻，及时地导出半导体制冷器产生的热量，提高了半导体制冷的效率。

公开号为CN111370498A的发明专利为解决现有真空***体积庞大，结构复杂，操作繁琐，不适用于移动设备使用，且由于采用真空泵和阀门管道保证腔体的真空度存在干扰腔体的真空度等问题，提供一种探测器小型永久高真空腔体及制备方法。

但现有线性驱动TEC电路功率小、效率低，现有内部集成MOS管的开关模式驱动TEC电路功率小、通用性不好、温控精度不高的问题，导致目前的半导体温控电路无法满足大靶面探测器对大制冷功率、大温差、高效率的制冷需求。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决大靶面探测器的大制冷功率、大温差、高效率的真空深度制冷问题，本发明提供一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，通过建立全数字温度、电流的双闭环控制，实现对大靶面探测器的高效真空深度制冷。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，包括微处理器、桥驱动电路、H桥电路、LCR滤波电路、桥臂电流检测电路、桥臂电压检测电路、冷端温度传感器、冷端温度检测电路、热端温度传感器、热端温度检测电路、风扇以及风扇驱动调速电路，所述桥臂电流检测电路包括精密电流检测电阻和电流检测放大器；

所述微处理器的PWM接口分别与所述桥驱动电路、所述风扇驱动调速电路连接，所述风扇驱动调速电路与用于对半导体制冷片TEC热端的散热器进行风冷散热的风扇连接，所述桥驱动电路、所述H桥电路、所述LCR滤波电路、所述精密电流检测电阻与所述半导体制冷片TEC依次连接，所述桥臂电压检测电路对所述LCR滤波电路进行分压跟随滤波并与所述微处理器的ADC接口连接，所述精密电流检测电阻还通过所述电流检测放大器与所述ADC接口连接；

所述冷端温度传感器和所述热端温度传感器分别贴合在所述半导体制冷片TEC的冷端和热端，且所述冷端温度传感器通过所述冷端温度检测电路与所述微处理器的SPI接口连接，所述热端温度传感器通过所述热端温度检测电路与所述ADC接口连接；

所述微处理器通过所述SPI接口和所述ADC接口分别读取外部信号，并根据读取的外部信号计算所述半导体制冷片TEC的冷热端温差、电压和电流，以及通过所述PWM接口输出第一PWM信号至所述桥驱动电路，以实现对所述半导体制冷片TEC的温度电流双闭环控制，通过所述PWM接口输出第二PWM信号至所述风扇驱动调速电路，以调节所述风扇的风速，所述微处理器还通过对外通信接口接收来自上位机的控制命令以及反馈工作状态信息给所述上位机；

所述桥驱动电路包括两个半桥驱动芯片，每个所述半桥驱动芯片用于驱动所述H桥电路对应桥臂的两个MOSFET管；

对于每一个桥臂，所述半桥驱动芯片的输入端连接所述PWM接口，所述半桥驱动芯片的两个输出端分别对应连接MOSFET管V1和MOSFET管V2的栅极，所述MOSFET管V1的源极连接电源VCC，所述MOSFET管V1的漏极分别连接电感L1的一端和所述MOSFET管V2的源极，电感L1的另一端分别连接电容C1、电阻R2、电阻R3的一端和所述半导体制冷片TEC的电源端，电阻R2的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端分别与所述MOSFET管V2的漏极、电容C1的另一端和电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端与电阻R4的另一端连接，电容C3并联在电阻R4的两端，电阻R3与电阻R4的连接点作为桥臂电压检测点与所述ADC接口连接，所述精密电流检测电阻采用四线开尔文连接方式连接在电阻R2与电阻R3之间的导线上，且所述精密电流检测电阻的两个电压检测脚分别与对应的所述电流检测放大器的正负输入引脚连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特点是允许最高60V桥电压输入、允许最大电流20A，可根据电压电流范围选取H桥电路分立MOSFET管，功率大、通用性强；可适用于多种型号TEC驱动，适用于TEC串联、并联及其串并联组成的TEC阵列；可实现大靶面探测器大制冷功率、大温差控制，制冷温度最低可到达-50℃，相比于非制冷探测器，暗电流降低1000倍；

(2)本发明采用温度电流双闭环控制，相比单温度闭环全桥TEC驱动，可以抑制环境温度瞬间变化、热负载变化带来的扰动，具有更好地响应速度和控制鲁棒性；

(3)实时检测TEC冷热端温差、TEC电流、输入功率等，可以依据TEC特性曲线控制温度和电流，兼顾制冷功率和制冷效率；

(4)由于采用温度电流双闭环控制，因此具有冷热端温度、电压、电流超限保护，防止TEC异常制冷制热导致真空腔体内CMOS图像传感器损坏；

(5)冷端温度检测电路采用高精度四线RTD测试方法，测试结果不受恒流源及导线电阻的影响，温度测量和控制稳定度可达到0.01℃；

(6)本发明采用全桥拓扑，差分驱动、双向温控，PWM载波频率为200kHz，有效减小滤波电感和滤波电容体积，减小电流纹波(电流波动<1％)，温控精度高(温度波动≤0.01℃)；

(7)使用桥臂电压检测电路、桥臂电流检测电路对两桥臂进行电压、电流检测，避免了采用一个传感器，共模电压范围较大且有负值的情形，简化了电压电流检测电路。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会显得更加明显：

图1为本发明的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路组成示意图；

图2为本发明的温度电流双闭环控制框图；

图3为本发明的主电路的电路原理图；

图4为本发明的冷端温度检测电路原理图；

图5为本发明的电流检测放大器电路原理图；

图6为三种不同低通滤波器的电路原理图；

图7为图6所示三种不同低通滤波器的伯德图。

具体实施方式

下文参考附图并结合具体实施例来详细说明本发明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但是不以任何形式限制本发明。

如图1所示，根据本发明的实施例的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其主要包括：微处理器、桥驱动电路、H桥电路、LCR滤波电路、桥臂电流检测电路、桥臂电压检测电路、冷端温度传感器、冷端温度检测电路、热端温度传感器、热端温度检测电路、风扇以及风扇驱动调速电路，其中桥臂电流检测电路包括精密电流检测电阻和电流检测放大器。

仍参见图1，微处理器的PWM接口分别与桥驱动电路、风扇驱动调速电路连接，风扇驱动调速电路与用于对半导体制冷片TEC热端的散热器进行风冷散热的风扇连接，桥驱动电路、H桥电路、LCR滤波电路、精密电流检测电阻与半导体制冷片TEC依次连接，桥臂电压检测电路对LCR滤波电路进行分压跟随滤波并与微处理器的ADC接口连接，精密电流检测电阻还通过电流检测放大器与ADC接口连接。

冷端温度传感器和热端温度传感器分别贴合在半导体制冷片TEC的冷端和热端，且冷端温度传感器通过冷端温度检测电路与微处理器的SPI接口连接，热端温度传感器通过热端温度检测电路与ADC接口连接。

微处理器主要进行ADC数据采集、PWM信号产生以及数字通信，完成全数字化温度、电流双制环路设计，易于参数调试及修改，有利于高性能自整定控制器的实现。

具体地，冷端温度传感器可以采用铂金属电阻，例如PT100，其温度与电阻关系式为：R_T＝R₀(1+AT+BT²)，其中T为温度，R_T为铂金属电阻PT100的阻值，R₀＝100Ω，A＝3.9083x10^-3℃^-1，B＝-5.775x10^-7℃^-1。

冷端温度检测电路采用精密恒流源给铂金属电阻供电，温度变化会导致铂金属电阻的电阻值变化，从而其两端电压变化，因此通过测试其两端电压，可得到电阻值，再根据电阻值查表即可得到对应的温度值。冷端温度检测电路与微处理器的SPI接口连接。冷端温度检测电路采用高精度四线RTD测试方法，测试结果不受恒流源及导线电阻的影响，温度测量和控制稳定度可达到0.01℃。

热端温度传感器对精度要求不高，因此可以采用负温度系数热敏电阻，例如NTC10k 3435。

热端温度检测电路采用电阻分压和滤波电路，与微处理器上的ADC接口连接。

桥驱动电路的输入端连接微处理器的PWM接口，具有输入互锁，提高了高噪声应用中的稳健性和***可靠性，还具有启用/禁用功能、欠压锁定功能，集成自举二极管，桥驱动电路的输出端连接H桥电路中MOSFET管的栅极，用于驱动H桥电路两个桥臂的MOSFET管。

H桥电路包含两个半桥，每个半桥包含两个分立的MOSFET管。可根据电压电流范围选取分立的MOSFET管。

在LC低通滤波电路加入阻尼，得到LCR滤波电路，LCR滤波电路能够大幅降低谐振尖峰电平，有利于电流控制环路增益的提高，增加***响应速度。根据***载波频率和带宽设计低通滤波器截止频率。

桥臂电流检测电路包括精密电流检测电阻和电流检测放大器，其中精密电流检测电阻串联于回路中，将电流信号转换为电压信号，连接到电流检测放大器，电流检测放大器与微处理器的ADC接口连接，将放大后的电压信号传递给微处理器。精密电流检测电阻采用四脚开尔文连接方式串联在回路中，避免导线电阻对测量的影响，提高电流检测精度。每一个桥臂均对应设有一个精密电流检测电阻和一个电流检测放大器，桥臂电流检测电路检测到的两个桥臂电流之差即为半导体制冷片TEC流过的电流。这样做的好处是共模电压均为正值，避免了采用一个电流检测放大器，共模电压范围较大且有负值的情形。

桥臂电压检测电路采用电阻分压、电压跟随、滤波电路，连接微处理器上的ADC接口。检测到的两个桥臂电压之差即为半导体制冷片TEC两端的电压。这样做的好处是共模电压均为正值，避免了采用一个电压传感器测电压，共模电压范围较大且有负值的情形。

微处理器还设有对外通信接口，可实现微处理器与外部上位机之间控制命令的收发和工作状态的反馈，可选地，对外通信接口为UART串口。

风扇用于对半导体制冷片TEC热端的散热器进行风冷散热，风扇驱动调速电路用于在微处理器的控制下调节风扇的风速。

微处理器是全桥控制电路的控制核心，主要完成通信、读取外部信号、输出PWM信号等功能。微处理器通过对外通信接口(例如UART串口)接收来自上位机的控制命令(如温度设置、电压、电流限制值、温度斜率、控制参数等)，同时反馈工作状态信息(如当前制冷温度、热沉温度、电压、电流等)给上位机。微处理器通过SPI接口和ADC接口分别读取外部信号，并根据读取的外部信号计算半导体制冷片TEC的冷热端温差、电压和电流，具体包括：通过SPI接口连接冷端温度检测电路，读取冷端温度传感器的电压信号，计算出冷端温度T_c；通过ADC接口连接热端温度检测电路，读取热端温度传感器的电压信号，计算出热端温度Th，则半导体制冷片TEC的冷热端温差为DT＝T_h－T_c；通过ADC接口连接桥臂电压检测电路，读取两个桥臂的电压信号，根据两个桥臂的电压信号计算半导体制冷片TEC的电压为U＝V_TECP－V_TECN；通过ADC接口连接桥臂电流检测电路，读取两个桥臂的电流信号，根据两个桥臂的电流信号计算半导体制冷片TEC的电流为I＝I_TECP－I_TECN。微处理器通过PWM接口输出第一PWM信号至桥驱动电路，以实现对半导体制冷片TEC的温度电流双闭环控制，温度电流双闭环控制包括温度控制外环和电流控制内环，其中温度控制外环采用高精度冷端温度传感器及其检测电路实现，电流控制内环采用串联高精度桥臂电流检测电路实现，同时，微处理器还通过PWM接口输出第二PWM信号至风扇驱动调速电路，以调节风扇的风速。

本实施例所提出的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路采用温度电流双闭环控制，该双闭环控制结构具体包括温度外环和电流内环，如图2所示，温度外环采样频率为5Hz，温度误差为ET＝T_r－T_c，其中T_r为设定温度，T_c为检测到的冷端温度，将温度误差ET＝T_r－T_c输入到温度控制环PID控制器，其输出作为电流环的电流设置指令I_r即设定电流I_r。电流内环采样频率为500Hz，电流误差为EI＝I_r－I，其中I为桥臂电流检测电路检测到的半导体制冷片TEC的电流，I_r为温度控制环PID控制器输出的设定电流，将电流误差EI＝I_r－I输入到电流控制环PI控制器，其输出作为H桥电路的设定电压占空比D，H桥电路的两个桥臂的占空比分别为0.5(1+D)和0.5(1-D)，两桥臂电压之差为U＝U_dc*D，输出至LCR滤波电路，其中U_dc为H桥电路直流母线输入的电源电压。半导体制冷片TEC有最大极限电压U_max和电流I_max，一般限制半导体制冷片TEC工作电压U＝U_dc*D<0.8U_max，即D<0.8U_max/U_dc，电流I_r<0.8I_max。

根据半导体制冷片TEC的特性曲线(在不同温差DT下，制冷功率Qc和制冷效率COP与电流的关系)，在特定温差DT下，一般存在电流I＝I_m时，制冷功率Qc最大；一般存在电流I＝I_opt时，制冷效率COP最大，且一般要求I_opt<I_r<I_m<0.8I_max。

如图3所示，本发明所提出的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路的主电路包含H桥驱动电路、H桥电路、LCR滤波电路、串联的精密电流检测电阻以及桥臂电压检测电路。

具体地，桥驱动电路包括两个半桥驱动芯片，每个半桥驱动芯片用于驱动H桥电路对应桥臂的两个MOSFET管，H桥电路的两个桥臂与半导体制冷片TEC之间串接LCR滤波电路、精密电流检测电阻和桥臂电压检测电路，两个桥臂(桥臂1、桥臂2)的结构完全相同。对于桥臂1，半桥驱动芯片的输入端连接微处理器的PWM接口，半桥驱动芯片的两个输出端(H1、L1)分别对应连接MOSFET管V1和MOSFET管V2的栅极，MOSFET管V1的源极连接电源VCC，MOSFET管V1的漏极分别连接电感L1的一端和MOSFET管V2的源极，电感L1的另一端分别连接电容C1、电阻R2、电阻R3的一端和半导体制冷片TEC的电源端TEC+，电阻R2的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端分别与MOSFET管V2的漏极、电容C1的另一端和电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端与电阻R4的另一端连接，电容C3并联在电阻R4的两端，并且电阻R3与电阻R4的连接点作为桥臂电压检测点与ADC接口连接，输出电压V_TECP至微处理器，精密电流检测电阻R1采用四线开尔文连接方式连接在电阻R2与电阻R3之间的导线上，并且精密电流检测电阻R1的两个电压检测脚(RSENS1_P、RSENS1_N)分别与对应的电流检测放大器的正负输入引脚(+IN、-IN)连接。半导体制冷片TEC的两个电源端(TEC+、TEC-)之间并联有电容C4。上述元器件的参数如下：电感L1的电感值为15uH，电阻R2、电阻R3、电阻R4的阻值分别为0.5kΩ、182kΩ、10kΩ，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4的电容值分别为0.22uF、10uF、10nF、2.2uF，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4的工作电压分别为50V、75V、50V、100V。桥臂1与半导体制冷片TEC的电源端TEC+之间、桥臂2与半导体制冷片TEC的电源端TEC-之间的LCR滤波电路、精密电流检测电阻和桥臂电压检测电路结构完全相同，此处不再赘述，对于桥臂2，LCR滤波电路与半导体制冷片TEC的电源端TEC-连接，输出电压V_TECN至微处理器。

参见图1和图4，冷端温度检测电路包括高精密恒流源、滤波放大模块和24位高精度ADC模块，高精密恒流源给冷端温度传感器供电，滤波放大模块的输入端与冷端温度传感器的输出端连接，滤波放大模块将冷端温度传感器输出的电压信号进行滤波和放大后送入24位高精度ADC模块，经过24位高精度ADC模块的模数转换后，输出相应的数字信号至SPI接口。冷端温度检测电路采用高精密恒流源给冷端温度传感器(例如铂金属电阻)供电，温度变化导致铂金属电阻的阻值变化，从而两端电压变化，电压信号经过滤波放大模块的滤波和放大后，传输给24位高精度ADC模块，该ADC模块带有数字滤波器、串行接口和控制电路(serial interface and control)，经过SPI接口连接微处理器，将电压信号传送给微处理器。冷端温度检测电路采用四线RTD测试方法，铂金属电阻采用四线开尔文连接方式串联在回路中，测试结果不受恒流源及导线电阻的影响，温度测量和控制稳定度可达到0.01℃。

仍参见图4，滤波放大模块包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、精密电阻R_BIAS、电容C_{IN_DIFF}、电容C_{IN_CM1}、电容C_{IN_CM2}、电容C_{REF_DIFF}、电容C_{REF_CM1}、电容C_{REF_CM2}和可编程增益放大器PGA，精密电阻R_BIAS为高精度、低温漂的精密电阻。

具体地，高精密恒流源IDAC的输出端IEXC1与铂金属电阻Variable Resistor的引脚A连接，铂金属电阻Variable Resistor的引脚D分别与精密电阻R_BIAS、电阻R11的一端连接，精密电阻R_BIAS的另一端分别与电阻R12的一端、GND端连接，电阻R11的另一端分别与电容C_{REF_DIFF}的一端、电容C_{REF_CM1}的一端和24位高精度ADC模块的输入端REFP0连接，电阻R12的另一端分别与电容C_{REF_DIFF}的另一端、电容C_{REF_CM2}的一端和24位高精度ADC模块的输入端REFN0连接，电容C_{REF_CM1}和电容C_{REF_CM2}的另一端均接地。

铂金属电阻Variable Resistor的引脚B与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端分别与电容C_{IN_DIFF}的一端、电容C_{IN_CM1}的一端和可编程增益放大器PGA的输入端AIN0连接，铂金属电阻Variable Resistor的引脚C与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电容C_{IN_DIFF}的另一端、电容C_{IN_CM2}的一端和可编程增益放大器PGA的输入端AIN1连接，电容C_{IN_CM1}和电容C_{IN_CM2}的另一端均接地。

电阻R9、电阻R10、电容C_{IN_DIFF}组成差模滤波电路，电阻R9、电容C_{IN_CM1}和电阻R10、电容C_{IN_CM2}组成共模滤波电路，铂金属电阻Variable Resistor的引脚B和引脚C的电压经过差模滤波电路和共模滤波电路后，被可编程增益放大器PGA放大Gain倍后输入到24位高精度ADC模块，24位高精度ADC模块的输出编码值Code与铂金属电阻Variable Resistor的电阻值RTD满足以下关系：

电阻R9、电阻R10、电容C_{IN_DIFF}组成差模滤波电路，其截止频率为：

当电阻R9的阻值为6.04kΩ，电阻R10的阻值为6.04kΩ，电容C_{IN_DIFF}的电容值为51nF，RTD＝0Ω～250Ω时，f_-3dB＝258Hz～253Hz。

电阻R9、电容C_{IN_CM1}和电阻R10、电容C_{IN_CM2}组成共模滤波电路，当电阻R9和电阻R10的阻值均为6.04kΩ，电容C_{IN_CM1}和电容C_{IN_CM2}的电容值均为5nF时，其截止频率为：

冷端温度检测电路的输入电压Vin为铂金属电阻Variable Resistor两端的电压，经过差模、共模滤波电路后，被可编程增益放大器PGA进行增益Gain倍放大，输入到24位高精度ADC模块，由于高精密恒流源IDAC的电流同时流过铂金属电阻Variable Resistor和精密电阻R_BIAS，因此最终24位高精度ADC模块输出的编码值只与铂金属电阻VariableResistor的电阻值RTD和精密电阻R_BIAS的电阻值、高精度增益Gain值有关，具体计算公式为：

其中，Vin为输入电压，Vref为参考电压，Gain为可编程增益放大器PGA的增益，RTD为铂金属电阻Variable Resistor的电阻值，IDAC为高精密恒流源的电流值，可选地，IDAC＝1000μA，R_BIAS为精密电阻R_BIAS的电阻值。

由上面公式得到铂金属电阻Variable Resistor的电阻值为：

可选地，Gain＝8，R_BIAS＝2000Ω。计算得到铂金属电阻Variable Resistor的电阻值RTD后，由铂金属电阻Variable Resistor的阻值与温度表分段线性化处理，即可得到对应的具体温度值。

由于采集电路的内阻远大于铂金属电阻的导线电阻RW2、RW3，故可忽略导线电阻RW2、RW3的影响，同时铂金属电阻采用四线开尔文连接方式，测试值也不受导线电阻RW1、RW4的影响，电阻值也不受恒流源精度及漂移的影响。

进一步地，本发明中的电流检测放大器选用AD8418芯片。如图5所示，对于两个桥臂而言，电流检测放大器的结构完全相同，这里仅以桥臂1对应的电流检测放大器电路为例进行说明。AD8418芯片包括负输入引脚-IN、地引脚GND、基准电压输入2引脚VREF2、空引脚NC、输出引脚OUT、电源电压引脚Vs、基准电压输入1引脚VREF1和正输入引脚+IN，其中负输入引脚-IN和正输入引脚+IN分别与桥臂电流检测电路中精密电流检测电阻R1的电压检测脚RSENS1_N、RSENS1_P对应连接，地引脚GND和基准电压输入2引脚VREF2均接地，空引脚NC不连接，输出引脚OUT与微处理器的ADC接口连接，电源电压引脚Vs连接3.3V电源，并且分别与电容C111和电容C112的一端连接，电容C111和电容C112的另一端接地，基准电压输入1引脚VREF1分别与电容C108、电容C109的一端、参考电源VERF连接，电容C108和电容C109的另一端接地，可选地，参考电源VERF的电压为3V。上述电容的参数如下：电容C1、电容C2、电容C3、电容C4的电容值分别为0.1uF、1uF、0.1uF、1uF，工作电压分别为50V、35V、50V、35V。

可选地，AD8418芯片的放大倍数为20。

利用图5所示的电流检测放大器对桥臂1和桥臂2的电流分别进行检测，得到桥臂1的电流为I_TECP＝(V_RSENS1－1.5)/0.003/20，桥臂2的电流为I_TECN＝(V_RSENS2－1.5)/0.003/20，其中V_RSENS1和V_RSENS2分别为桥臂1和桥臂2上电流检测放大器输出引脚OUT输出的电压值，根据桥臂1和桥臂2的电流计算得到半导体制冷片TEC的电流为I＝I_TECP－I_TECN。

如图6所示为三种不同低通滤波器的电路原理图，一般LC低通滤波器如图6(3)所示，其仅包括一个电感L1和电容C2，在LC低通滤波电路中加入阻尼，分别得到如图6(2)、图6(1)所示的低通滤波器结构，其中图6(2)的低通滤波器电感L1、电阻R2和电容C2依次串联，图6(1)与图6(2)相比，还包括并联在串联的电阻R2和电容C2两端的电容C1。图6(1)、图6(2)、图6(3)所示的低通滤波器分别记作“L1+C2”、“L1+R2C2”、“L1+C1//R2C2”。

如图7所示，图6(3)所示的一般LC低通滤波器引入谐振峰，容易引起控制环路振荡。本发明采用如图6(1)所示的LCR滤波电路，将谐振峰抑制掉，相比图6(2)所示的LCR滤波电路，高频段噪声抑制更明显。因此，本发明中的LCR滤波电路选用图6(1)所示的电路结构，其能够大幅降低谐振尖峰电平，有利于电流控制环路增益的提高，增加***响应速度。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特点是允许最高60V桥电压输入、允许最大电流20A，可根据电压电流范围选取H桥电路分立MOSFET管，功率大、通用性强；可适用于多种型号TEC驱动，适用于TEC串联、并联及其串并联组成的TEC阵列；可实现大靶面探测器大制冷功率、大温差控制，制冷温度最低可到达-50℃，相比于非制冷探测器，暗电流降低1000倍；

(2)本发明采用温度电流双闭环控制，相比单温度闭环全桥TEC驱动，可以抑制环境温度瞬间变化、热负载变化带来的扰动，具有更好地响应速度和控制鲁棒性；

(3)实时检测TEC冷热端温差、TEC电流、输入功率等，可以依据TEC特性曲线控制温度和电流，兼顾制冷功率和制冷效率；

(4)由于采用温度电流双闭环控制，因此具有冷热端温度、电压、电流超限保护，防止TEC异常制冷制热导致真空腔体内CMOS图像传感器损坏；

(5)冷端温度检测电路采用高精度四线RTD测试方法，测试结果不受恒流源及导线电阻的影响，温度测量和控制稳定度可达到0.01℃；

(6)本发明采用全桥拓扑，差分驱动、双向温控，PWM载波频率为200kHz，有效减小滤波电感和滤波电容体积，减小电流纹波(电流波动<1％)，温控精度高(温度波动≤0.01℃)；

(7)使用桥臂电压检测电路、桥臂电流检测电路对两桥臂进行电压、电流检测，避免了采用一个传感器，共模电压范围较大且有负值的情形，简化了电压电流检测电路。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特征在于，包括微处理器、桥驱动电路、H桥电路、LCR滤波电路、桥臂电流检测电路、桥臂电压检测电路、冷端温度传感器、冷端温度检测电路、热端温度传感器、热端温度检测电路、风扇以及风扇驱动调速电路，所述桥臂电流检测电路包括精密电流检测电阻和电流检测放大器；

所述微处理器的PWM接口分别与所述桥驱动电路、所述风扇驱动调速电路连接，所述风扇驱动调速电路与用于对半导体制冷片TEC热端的散热器进行风冷散热的风扇连接，所述桥驱动电路、所述H桥电路、所述LCR滤波电路、所述精密电流检测电阻与所述半导体制冷片TEC依次连接，所述桥臂电压检测电路对所述LCR滤波电路进行分压跟随滤波并与所述微处理器的ADC接口连接，所述精密电流检测电阻还通过所述电流检测放大器与所述ADC接口连接；

所述冷端温度传感器和所述热端温度传感器分别贴合在所述半导体制冷片TEC的冷端和热端，且所述冷端温度传感器通过所述冷端温度检测电路与所述微处理器的SPI接口连接，所述热端温度传感器通过所述热端温度检测电路与所述ADC接口连接；

所述微处理器通过所述SPI接口和所述ADC接口分别读取外部信号，并根据读取的外部信号计算所述半导体制冷片TEC的冷热端温差、电压和电流，以及通过所述PWM接口输出第一PWM信号至所述桥驱动电路，以实现对所述半导体制冷片TEC的温度电流双闭环控制，通过所述PWM接口输出第二PWM信号至所述风扇驱动调速电路，以调节所述风扇的风速，所述微处理器还通过对外通信接口接收来自上位机的控制命令以及反馈工作状态信息给所述上位机；

所述桥驱动电路包括两个半桥驱动芯片，每个所述半桥驱动芯片用于驱动所述H桥电路对应桥臂的两个MOSFET管；

对于每一个桥臂，所述半桥驱动芯片的输入端连接所述PWM接口，所述半桥驱动芯片的两个输出端分别对应连接MOSFET管V1和MOSFET管V2的栅极，所述MOSFET管V1的源极连接电源VCC，所述MOSFET管V1的漏极分别连接电感L1的一端和所述MOSFET管V2的源极，电感L1的另一端分别连接电容C1、电阻R2、电阻R3的一端和所述半导体制冷片TEC的电源端，电阻R2的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端分别与所述MOSFET管V2的漏极、电容C1的另一端和电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端与电阻R4的另一端连接，电容C3并联在电阻R4的两端，电阻R3与电阻R4的连接点作为桥臂电压检测点与所述ADC接口连接，所述精密电流检测电阻采用四线开尔文连接方式连接在电阻R2与电阻R3之间的导线上，且所述精密电流检测电阻的两个电压检测脚分别与对应的所述电流检测放大器的正负输入引脚连接。

2.根据权利要求1所述的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特征在于，所述冷端温度检测电路包括高精密恒流源、滤波放大模块和24位高精度ADC模块；

所述高精密恒流源给所述冷端温度传感器供电，所述滤波放大模块的输入端与所述冷端温度传感器的输出端连接，所述滤波放大模块将所述冷端温度传感器输出的电压信号进行滤波和放大后送入所述24位高精度ADC模块，经过所述24位高精度ADC模块的模数转换后，输出相应的数字信号至所述SPI接口。

3.根据权利要求2所述的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特征在于，所述冷端温度传感器采用铂金属电阻，且所述铂金属电阻采用四线开尔文连接方式。

4.根据权利要求3所述的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特征在于，所述滤波放大模块包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、精密电阻R_BIAS、电容C_{IN_DIFF}、电容C_{IN_CM1}、电容C_{IN_CM2}、电容C_{REF_DIFF}、电容C_{REF_CM1}、电容C_{REF_CM2}和可编程增益放大器PGA；

所述高精密恒流源的输出端与所述冷端温度传感器的引脚A连接，所述冷端温度传感器的引脚D分别与精密电阻R_BIAS、电阻R11的一端连接，精密电阻R_BIAS的另一端分别与电阻R12的一端、GND端连接，电阻R11的另一端分别与电容C_{REF_DIFF}的一端、电容C_{REF_CM1}的一端和所述24位高精度ADC模块的输入端REFP0连接，电阻R12的另一端分别与电容C_{REF_DIFF}的另一端、电容C_{REF_CM2}的一端和所述24位高精度ADC模块的输入端REFN0连接，电容C_{REF_CM1}和电容C_{REF_CM2}的另一端均接地；

所述冷端温度传感器的引脚B与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端分别与电容C_{IN_DIFF}的一端、电容C_{IN_CM1}的一端和可编程增益放大器PGA的输入端AIN0连接，所述冷端温度传感器的引脚C与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电容C_{IN_DIFF}的另一端、电容C_{IN_CM2}的一端和可编程增益放大器PGA的输入端AIN1连接，电容C_{IN_CM1}和电容C_{IN_CM2}的另一端均接地；

电阻R9、电阻R10、电容C_{IN_DIFF}组成差模滤波电路，电阻R9、电容C_{IN_CM1}和电阻R10、电容C_{IN_CM2}组成共模滤波电路，所述冷端温度传感器的引脚B和引脚C的电压经过所述差模滤波电路和所述共模滤波电路后，被所述可编程增益放大器PGA放大Gain倍后输入到所述24位高精度ADC模块，所述24位高精度ADC模块的输出编码值Code与所述冷端温度传感器的电阻值RTD满足以下关系：

5.根据权利要求4所述的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特征在于，精密电阻R_BIAS的阻值为R_BIAS＝2000Ω，所述可编程增益放大器PGA的增益为Gain＝8。

6.根据权利要求1所述的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特征在于，所述电流检测放大器选用AD8418芯片。

7.根据权利要求6所述的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特征在于，所述AD8418芯片的放大倍数为20。

8.根据权利要求1所述的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特征在于，所述对外通信接口为UART串口。

9.根据权利要求1所述的一种大靶面探测器半导体真空深度制冷全桥控制电路，其特征在于，所述热端温度传感器采用负温度系数热敏电阻。

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