一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法；具有步骤如下；(1)、确定1个优化的PWM波周期；(2)、温度采集；(3)、主控进行PID计算；(4)、采用抖动方法计算PWM波的脉宽时钟数；(5)、根据N

【技术实现步骤摘要】
一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法
本专利技术涉及数字化的半导体制冷片温控领域，具体来讲涉及的是一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法。
技术介绍
当直流电压被加载到半导体制冷片(TEC)两个引线上，半导体制冷片内部有电流流过，此时它其中一个表面的热将被吸收，然后热量被运送到另外一面释放。这个过程中，TEC相当于一个“热泵”，而热量的转移会导致温度的变化，因此半导体制冷片可以用来控温。当直流电压的方向改变时，半导体制冷片TEC内部的电流方向也会改变，热量流动的方向也随之改变，因此半导体制冷片TEC既可以加热也可以致冷，实现双向温控。数字化的半导体制冷片温控利用了半导体制冷片的该项特性，通过改变加载在TEC两个引线上的电压，实现小体积、方便易用的温度控制。数字化半导体制冷片温控主要由主控，温度采集模块，功率级模块，半导体制冷片及其它附件组成。选择微处理器(MCU，单片机)作为主控；温度采集模块可以由主控内置的ADC或使用外置的ADC实现；单向温控的功率级为1个半桥降压模块HB1，双向温控的功率级则由两个半桥降压模块HB1和HB2组成。半桥降压模块HB核心部分由以下部件组成：1个半桥功率管驱动器，高侧和低侧两个功率管组成的功率管半桥，电感电容组成的LC滤波器。半桥功率管驱动器根据输入的PWM波驱动半桥高侧和低侧功率管依次开关完成同步降压功能，然后LC滤波器滤除半桥输出的高频成分，最后输出纹波很小的直流电压。最后输出的直流电压幅值和输入的PWM波的占空比(DRpwm)以及半桥降压模块的电源电压(Vbus)有关，因此主控可以通过控制输入功率级的PWM波占空比来控制功率级的输出电压。一个半桥功率管驱动器需要输入一组PWM波，一组PWM波可能是单个PWM波，也可能是一对互补的PWM波，根据所选的器件需求确定。单向温控中，主控内部定时器生成1组PWM波设为PWM1，PWM1的占空比为DRpwm1；LC滤波后HB1输出直流电压的幅值Vout1＝DRpwm1*Vbus，把Vout1和电源Vbus的地分别接在半导体制冷片的两根引线上，则TEC的电压VTEC＝Vout1，半导体制冷片中的电流发生单向流动，热量也单向流动，实现单向温控。在双向温控中，主控生成两组PWM波分别为PWM1和PWM2，它们的占空比分别为DRpwm1和DRpwm2。LC滤波后HB1输出直流电压的幅值Vout1＝DRpwm1*Vbus，LC滤波后HB2输出直流电压的幅值Vout2＝DRpwm2*Vbus，把Vout1和Vout2接在半导体制冷片两端，TEC两端电压VTEC＝Vout1-Vout2＝(DRpwm1-DRpwm2)*Vbus，因此TEC实际电压可正可负(取决于PWM1和PWM2的占空比之差)，那么TEC中的电流可以正向流动，也可以反向流动，热量也如此，所以可实现双向温控。数字温控的主控算法流程：每隔时间T主控执行一次第2-5步。T是优化选择的控制间隔时间。1.确定1个PWM波周期。设主控内部定时器的时钟频率fTIM，定时器时钟周期为Tclk,生成的PWM波的周期Tpwm＝M*Tclk，PWM波的脉宽Wpwm＝N*Tclk，PWM波的占空比DRpwm＝N/M，PWM波的频率fPWM＝fTIM/M。M表示PWM波的周期与定时器时钟周期Tclk的倍数，我们简称M为周期时钟倍数，N表示PWM波的脉宽与定时器时钟周期Tclk的倍数，我们简称N为脉宽时钟倍数，算法流程里需要计算出N和M的具体值才能够正确设定PWM波。PWM波的频率fPWM通常选在几十kHz到数MHz之间，再根据电感电容参数等其它系统情况可以确定PWM波周期Tpwm进而确定M，所以通常情况下M值是个固定值。2.温度采集：主控通过温度采集模块获得被温控物体实际温度。3.主控进行PID计算：主控根据温控的目标温度计算温差，采用PID或类似算法计算出期望的TEC驱动电压，然后计算出期望的占空比DRPID(DRPID＝期望TEC驱动电压/Vbus)；双向温控中，DRPID可正可负，为-1至1之间的小数。4.计算PWM波的脉宽：因为PWM波的周期是个固定值，这里仅需要计算脉宽参数里N的值。用M1、M2分别表示PWM1波和PWM2波的周期时钟倍数，用N1、N2分别表示PWM1波和PWM2波的脉宽时钟倍数。单向温控中，PWM1波的M1＝M，期望输出电压方向和温控方向一致时，PWM1波的N1＝WPWM1/Tclk＝|DRPID|*M，方向不一致时，N1＝0，关闭输出；双向温控中，M1＝M2＝M，当DRPID＝0时，N1＝0，N2＝0；当DRPID>0时，N1＝DRPID*M，N2＝0；当DRPID<0时，N1＝0，N2＝|DRPID|*M。5.主控定时器生成PWM波。主控根据计算出来的N1、M1、N2、M2值设置定时器，生成并输出PWM波。PWM波输入到功率级以后，功率级转换为期望的直流电压驱动TEC。问题1：发生在计算PWM波脉宽的过程中；PWM波是通过主控内部的定时器模块生成的，因此PWM波的周期和脉冲宽度都是定时器时钟周期Tclk的整数倍。虽然PID计算出来的占空比DRPID是连续变化的小数，但N和M都是有限的整数，所以计算脉冲宽度N＝DRPID*M的过程中丢失了DRPID的部分精度，分辨率降低。比如设x为1个小于M的正整数，当|DRPID|＝x/M时，N＝x，当|DRPID|＝(x+1)/M时，N＝x+1,但是当x/M<|DRPID|<(x+1)/M时,即使DRPID发生了变化，N计算出来仍然只能等于x或者x+1。PWM波的占空比变化不连续导致降压模块输出的电压和半导体制冷片上的电压变化也不连续，电压分辨率受限，影响温控精度，尤其当主控定时器的时钟频率不高时，影响更大。问题2：发生在功率级根据输入的PWM波信号输出直流电压的过程中；功率级为了防止高低侧功率管直通烧毁，在高低功率管依次打开关闭之间应有1个短暂的死区时间，同时半桥驱动器有1个最小的响应PWM脉宽。因此当PWM波的占空比很小时，半桥降压模块由于响应能力或死区时间等原因，半桥驱动模块不会有输出，实际上使得这个区域的输出电压分辨率变差。这对温控是不利的，尤其是双向温控中，会造成正负电压切换时(即零电压)附近出现电压不连续的情况，这会对温控的稳定性和精度造成影响。
技术实现思路
因此，本专利技术在此提供一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法；主控内部的定时器时钟频率，半桥驱动芯片死区和最短响应脉宽要求对数字温控的分辨率和稳定性的影响大为降低。本专利技术是这样实现的，构造一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法，其特征在于；每隔时间T主控执行一次第2步和第3步；在每个T时间内部，每隔T/Q时间主控执行一次第4-6步；具有步骤如下；(1)、确定1个优化的PWM波周期。根据电感电容参数、输出电压纹波要求等其它系统综合情况确定1个优化的PWM波周期Tpwm进而确定M。(2)、温度采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法，其特征在于；/n每隔时间T主控执行一次第2步和第3步；在每个T时间内部，每隔T/Q时间主控执行一次第4-6步；具有步骤如下；/n(1)、确定1个优化的PWM波周期：根据电感电容参数、输出电压纹波要求等其它系统综合情况确定1个优化的PWM波周期T

【技术特征摘要】
1.一种提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法，其特征在于；
每隔时间T主控执行一次第2步和第3步；在每个T时间内部，每隔T/Q时间主控执行一次第4-6步；具有步骤如下；
(1)、确定1个优化的PWM波周期：根据电感电容参数、输出电压纹波要求等其它系统综合情况确定1个优化的PWM波周期Tpwm进而确定M；
(2)、温度采集：主控通过温度采集模块获得被温控物体实际温度；
(3)、主控进行PID计算：根据温控的目标温度计算温差，采用PID或类似算法计算出期望的TEC驱动电压，然后计算出期望的占空比DRPID(DRPID＝期望TEC驱动电压/Vbus)；双向温控中，DRPID可正可负，为-1至1之间的小数；
(4)、采用抖动方法计算PWM波的脉宽时钟数：把控制间隔时间T再分成Q个时间段，每个时间段里PWM波的脉冲时钟倍数都采用抖动方法重新计算一次，计算结果用Nq表示；
(5)、根据Nq值的大小对PWM波的周期和脉宽的进行不同的处理：首先确定1个合理的低占空比判断阈值，然后根据Nq和阈值的相对大小关系，对PWM波的脉宽时钟倍数和周期时钟倍数进行不同的处理；
(6)、主控定时器生成PWM波：根据前述计算结果设置定时器，生成PWM波；PWM波输入到功率级以后，功率级转换为期望的直流电压驱动TEC。


2.根据权利要求1所述提高数字化半导体制冷片温控输出电压分辨率的方法，其特征在于；步骤4中，第q个时间段里计算流程如下：
a、对(DRPID*M)的乘积结果向下取整得到Nq，因为DRPID可正可负，所以Nq值可正可负；
b、累计误差，本时间段的误差和ErrSumq＝ErrSumq-1+(DRPID–Nq/M)；ErrSumq-1代表上一个时...

【专利技术属性】
技术研发人员：何发红，
申请(专利权)人：成都业贤科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51