一种低功耗、高精度温度控制电路的制作方法

1.本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其是指一种低功耗、高精度温度控制电路。


背景技术：

2.集成电路广泛应用于生活中的各个领域，根据功能的不同可划分位许多种类，温度控制电路便是其中应用最为广泛的一类芯片。高精度温度控制电路广泛应用于冰箱，空调等许多需要保持恒定温度的场合，发挥着不可替代的作用。
3.温度控制电路主要用于对温度的控制，当温度低于设定值时，输出控制信号控制元件对环境温度进行升高，高于设定值时控制环境温度进行降温，主要应用于家用空调，冰箱等需要控制环境温度等应用领域，更可应用于许多需要精确环境温度的工业领域。常规温控电路功耗高、精度低，不利于应用于小尺寸，低功耗等场合，具有许多限制。


技术实现要素：

4.为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中电路精度低、功耗大的问题，从而提供一种应用于冰箱，空调等许多需要保持恒定温度场合的低功耗、高精度温度控制电路。
5.为解决上述技术问题，本实用新型的一种低功耗、高精度温度控制电路，所述的温度控制电路总共包含32个功能引脚，包括信号功能模块、辅助模块；信号功能模块包括误差放大器、补偿放大器和输出放大器，所述的误差放大器设于电路输入端，其中电路外部的热敏电阻将温度信号转换成电压信号，输入到误差放大器中，所述的补偿放大器设于误差放大器和输出放大器之间，且补偿放大器的两端通过触点与误差放大器的输出端和输出放大器的输入端相连，所述的输出放大器包含输出放大器模块和输出pwm放大器模块，所述的输出放大器模块采用闭环结构，对vtec的功能引脚信息进行放大，使输出尽快下降到零或者尽快上升到vdd功能引脚，所述的输出pwm放大器模块中电路利用h桥差分驱动热电制冷器；
6.所述的辅助模块包括时钟电路、基准电路模块，所述的时钟电路采用的是锁相环，且具有两种工作模式，分别为freerun模式和pll模式，所述的基准电路模块通过电阻可以得到具有正温度系数的电流，而且电流流过电阻会产生正温度系数的电压。
7.在本实用新型的一个实施例中，所述温度控制电路的输入端与热敏电阻相连，其输出端与热电制冷器连接。
8.在本实用新型的一个实施例中，所述的误差放大器模块是将tempctl输出引脚是将thermin输入引脚与tempset输入引脚的电压差值进行放大。
9.在本实用新型的一个实施例中，所述的输出放大器模块由n2和p2分别用来驱动两个片外晶体管构成。
10.在本实用新型的一个实施例中，所述的输出放大器模块还设有匹配的片外pmos栅漏电容和nmos栅漏电容。
11.在本实用新型的一个实施例中，所述的片外pmos栅漏电容还增设有outb到地的电
容以及outb与p2之间的电容
12.在本实用新型的一个实施例中，所述的h桥是用片外的cmos搭成的，且温度控制电路本身只提供h桥的门级驱动信号。
13.在本实用新型的一个实施例中，所述的锁相环具在200khz到1000khz范围内可以精准锁频，且freerun模式和pll模式可以通过级联或主从形式来调节器件工作在不同的相位，调节器件在不同的时间转换。
14.在本实用新型的一个实施例中，所述的基准电路模块根据pn结二极管的正向电压具有负温度系数，而pn结之间的电压差δube具有正温度系数的特性设置。
15.本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本实用新型所述的一种低功耗、高精度温度控制电路由pid补偿放大器来实现系统稳定性和低噪声。可以灵活调节补偿网络以优化温度稳定时间，电路提供2.5v的参考电压，同时可用于监测目标温度和热电制冷器(tec)的电压。具有高效率、低功耗、噪声小于0.5％tec电流纹波、
±
0.1℃长期温度稳定性、温度锁定指示、温度输出监控、与外部信号同步振荡、多个控制器的时钟相位调整、可控制开关频率达1mhz、热敏电阻故障报警、最大tec电压可编程等优点。可良好应用于tec温度控制，电阻加热元件控制，温度稳定衬底控制。
附图说明
16.为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
17.图1是一种低功耗、高精度温度控制电路的框图引脚示意图；
18.图2是一种低功耗、高精度温度控制电路的功能模块示意图；
19.图3是一种低功耗、高精度温度控制电路的工作示意图。
20.如图所示：1、辅助模块，2、误差放大器，3、补偿放大器，4、输出放大器。
具体实施方式
21.如图2所示，本实施例提供一种低功耗、高精度温度控制电路，所述的温度控制电路总共包含32个功能引脚，包括信号功能模块、辅助模块；信号功能模块包括误差放大器、补偿放大器和输出放大器，所述的误差放大器设于电路输入端，其中电路外部的热敏电阻将温度信号转换成电压信号，输入到误差放大器中，进一步地，整体模块如图2所示，误差放大器检测目标温度和实际温度之差，补偿放大器实现整体电路系统稳定，输出放大器根据需要制冷或者制热，其中的误差放大器将该电压与将设定电压进行比较，通过控制失调电压，保证温度精度，所述的补偿放大器设于误差放大器和输出放大器之间，且补偿放大器的两端通过触点与误差放大器的输出端和输出放大器的输入端相连，所述的输出放大器包含输出放大器模块和输出pwm放大器模块，所述的输出放大器模块采用闭环结构，对vtec的功能引脚信息进行放大，使输出尽快下降到零或者尽快上升到vdd功能引脚，以实现最大化电压输出摆幅，增大电路输出效率，所述的输出pwm放大器模块中电路利用h桥差分驱动热电制冷器；
22.所述的辅助模块包括时钟电路、基准电路模块，所述的时钟电路采用的是锁相环具，且具有两种工作模式，分别为freerun模式和pll模式，所述的基准电路模块通过电阻阵
列可以得到具有正温度系数的电流，而且电流流过电阻会产生正温度系数的电压。
23.该申请的温度控制电路主要通过驱动热电制冷器(tec)来实现对激光二极管或其他器件的温度调控。主要依赖负温度系数的热敏电阻来感知环境温度，然后将温度输入控制电路中进行数据处理，传递给热电制冷器(tec)，通过tec控制环境温度。目标温度通过数模转换器或外部电阻分压器来设置。
24.进一步地，如图1所示为温度控制电路整体框图，总共包含32个功能引脚，主要管脚功能描述如下：
25.thermfault：主要作为数字输入，用于指示热敏电阻的开路或者短路状态
26.thermin：模拟输入引脚，作为热敏电阻的反馈输入接口
27.sd：数字输入引脚，用于控制电路进入低电流关断模式，降低功耗，低电平有效
28.tempset：模拟输入引脚，通过外界感应目标温度并输入温控电路
29.templock：数字输出引脚，指示热敏电阻的温度是否进入由tempset电压设置的目标温度
±
0.1摄氏度的温度区间
30.vref：模拟输出引脚，输出2.5v参考电压
31.avdd：供电电源，电源范围位3-5.5v
32.outb：模拟输入引脚，用于线性输出端口反馈
33.n2：模拟输出引脚，驱动线性输出的外部nmos栅极
34.p2：模拟输出引脚，驱动线性输出的外部pmos栅极
35.tempctl：模拟输出引脚，误差放大器的输出，连接到compfb通过补偿网络的正反馈部分
36.compfb：模拟输入引脚，补偿放大器的反馈总结点
37.compout：模拟输出引脚，补偿放大器的输出
38.vlim：模拟输入引脚，通过tec设置最大电压
39.vtec：模拟输出引脚，指示通过tec的电压，1.5v对应着0v通过tec，3.0v表明最大输出电压，tec最大的热量转换
40.compswout：模拟输出引脚，开关放大器的补偿
41.compswin：模拟输入引脚，开关放大器的补偿，电容连接在compswin和compswout之间
42.outa：模拟输入引脚，pwm输出反馈，一般连接在tec的管脚上
43.pvdd：输出驱动部分的电源，最小3v，最大5.5v
44.p1：数字输出引脚，驱动pwm外部输出的pmos栅极
45.n1：数字输出引脚，驱动pwm外部输出的nmos栅极
46.pgnd：接地点
47.composc：模拟输入引脚，像应用程序说明里面一样连接
48.syncin：数字输入引脚，可选的时钟输入。如果没有连接，时钟频率由freq管脚设置
49.freq：模拟输入引脚，设置开关频率
50.softstart：模拟输入引脚，控制电路的sycin
51.syncout：数字输出引脚，相位调整时钟输出，相位设置在相位引脚上，可用于驱动
其他电路的syncin
52.phase：模拟输入引脚，设置相对于syncin时钟的开关和同步时钟相位
53.agnd：模拟电路的地线，用于高精度工作环境下降低噪声
54.tempout：模拟输出热敏电阻温度
55.所述温度控制电路的输入端与热敏电阻相连，其输出端与热电制冷器连接。
56.所述的误差放大器模块是将tempctl输出引脚是将thermin输入引脚与tempset输入引脚的电压差值进行放大。
57.进一步地，为减小或消除放大器的失调电压，使用chopper、auto-zero以及仪表放大器等技术。当热敏电阻正常工作时，thermfault(pin1)会输出低电平；当热敏电阻短路或者开路时，thermfault(pin1)会输出逻辑高电平。thermfault(pin1)仅仅显示一种失败情况，并不会触发任何保护电路。当thermin(pin2)与tempset(pin4)的误差在失调电压之内时，templock(pin5)输出逻辑高电平；如果thermin(pin2)与tempset(pin4)的误差超过失调电压时，templock(pin5)输出逻辑低电平。
58.进一步地，所述的输出放大器具有高增益、线性输出的特点，所述的输出放大器模块由n2和p2分别用来驱动两个片外晶体管构成。最终的输出反馈回outb，形成闭环结构。为了保证输出线性放大器的稳定性，需要设定匹配的片外pmos栅漏电容和nmos栅漏电容。除此之外，为了改善一些潜在的不稳定的情况，片外还需要增加outb到地的电容以及outb与p2之间的电容
59.进一步地，为了最大化输出电压摆幅，电路利用h桥差分驱动热电制冷器(tec)，所述的h桥是用片外的cmos搭成的，且温度控制电路本身只提供h桥的门级驱动信号。为了提高整个系统的效率，h桥其中一侧outa使用了开关输出(丁类输出)，即outa是一个脉冲宽度调制(pwm)放大器。丁类输出后使用了一个电感和电容进行了低通滤波，去除了高频的开关频率成分。输出电压的纹波是电感、电容和开关频率的函数。输出pwm放大器提供给片外mos的门驱动输出p1和n1具有一个典型值为65ns的非重叠延迟。这样做是为了保证在开关瞬间时，一个管子开启之前另一个管子已经完全关闭，防止两个管子同时开启时产生很大的短路电流。和线性输出放大器一样，pwm输出放大器的输出outa也要反馈回电路当中形成闭环，实现稳定放大的目的。为了保证加在tec两端的电压也是稳定受控的，outb也会被反馈到pwm放大器当中。
60.进一步地，如图3所示，锁相环具有两种工作模式，分别为freerun模式和pll模式。freerun模式：该模式工作时，需要令pin25(syncin)＝gnd；在vco模块处外接一个r＝150k；当pin24(composc)＝vdd时，使x107_a为高(关断一支放大器)，则只有一支放大器为电容提供充电电流。输出的斜升函数与参考电平比较，产生带有相同频率和相位的控制信号(x124_q，x123_q)，这些信号来控制电容的充放电。此时电路相当于一个振荡器，振荡频率不受外部时钟控制，而是受电阻rfreq的控制。该模式下电阻与频率关系为：
[0061][0062]
pll模式
[0063]
该模式工作时，需要令pin25(syncin)外接一个时钟信号，pin24(composc)外接下图所示的rc网络。composc从0开始增加，使x107_a为低，此时两支电流为电容充电。输出的
斜升函数与参考电平比较，产生带有相同频率和相位的控制信号(x124_q，x123_q)。x124_q与时钟信号经过鉴相器，对比频率和相位的差距，产生控制信号(x108_q,x109_q,x108_qn,x109_qn)。这些信号控制电荷泵的充电，从而影响composc信号。此时电路是一个锁相环，最终输出信号带有与输入信号相同的频率特性。该锁相环的优势是在200khz到1000khz范围内可以精准锁频。freerun模式和pll模式可以通过级联或主从形式来调节器件工作在不同的相位，调节器件在不同的时间转换，从而减少电源波纹和瞬态电流。
[0064]
进一步地，所述的基准电路模块根据pn结二极管的正向电压具有负温度系数，而pn结之间的电压差δube具有正温度系数的特性设置，借助于放大器两个输入端的“虚短”特性，通过电阻可以得到具有正温度系数的电流(ptat电流)，可以为各个模块提供基准电流，而且电流流过电阻会产生正温度系数的电压，然后与三极管的pn结按照比例叠加后可以形成与温度系数无关的基准电压vref，最后外加一个电压跟随器提高了带负载能力。
[0065]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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实用新型创造的保护范围之中。