當(dāng)前，高速芯片如CPU、FPGA和GPU等主要采用散熱片+風(fēng)扇的冷卻技術(shù)。但風(fēng)扇在大幅度降低高速芯片溫度的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的噪聲，不適用于某些對噪聲有特殊要求的場合。散熱片+半導(dǎo)體制冷器的冷卻技術(shù)，因無任何機(jī)械運(yùn)動部件具有無噪聲、無磨損、可靠性高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已逐步應(yīng)用于對噪聲有嚴(yán)格要求的各種場合。

但現(xiàn)有的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)一般要求具有對熱端（散熱片）進(jìn)行溫度監(jiān)測及過熱保護(hù)的過熱保護(hù)裝置，本文即以PIC12C672單片機(jī)為控制核心，LM50BIM3為溫度傳感器，功率場效應(yīng)晶體管為控制元件，構(gòu)建了半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的過熱保護(hù)裝置，以保證半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)安全可靠工作。

1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)

半導(dǎo)體制冷是帕爾帖原理在制冷技術(shù)方面的應(yīng)用，是一種新型的制冷方式。半導(dǎo)體制冷器即是基于半導(dǎo)體材料的溫差效應(yīng)，利用直流電流通過由兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)而成的電偶時(shí)引起半導(dǎo)體材料中的熱量傳遞制成的一種新型制冷器。

實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體制冷器是一由多個(gè)P型和N型半導(dǎo)體元件并聯(lián)而成的熱電偶對（如圖1所示），當(dāng)給由多個(gè)N型和P型組成的熱電偶對通以直流電后，從N型流入P型半導(dǎo)體時(shí)，因半導(dǎo)體勢能提高，則因N型、P型結(jié)合處需吸收熱量而使溫度降低，而從P型流入N型半導(dǎo)體時(shí)，因勢能下降，在N型、P型結(jié)合處則因放出熱量而使溫度升高。這樣就在制冷器件的上下兩個(gè)端面形成冷端和熱端，從而達(dá)到制冷的目的。

因此，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)總要通過散熱片與冷、熱源進(jìn)行不斷的熱交換才能維持工作，而一旦散熱片的散熱裝置發(fā)生故障將導(dǎo)致散熱片溫度不斷升高，輕則影響半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的冷卻效果，重則會導(dǎo)致半導(dǎo)體制冷器因冷、熱端溫差過大而燒毀。為此，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)一般都需有過熱保護(hù)裝置以保證其可靠、安全工作。

圖1 半導(dǎo)體制冷器組成示意圖

2 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置如圖2所示，包括采用LM50BIM3溫度傳感器、PIC12C672單片機(jī)和NTD24N06L功率場效應(yīng)晶體管等構(gòu)成的核心電路以及外圍報(bào)警電路和供電電路等。

圖2 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置電路原理圖

2.1硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 LM50集成溫度傳感器

LM50BIM3為美國國家半導(dǎo)體公司的集成溫度傳感器，該傳感器只需4.5V～10V單電源供電即可實(shí)現(xiàn)對-40℃～125℃溫度的線性感應(yīng)，并采用差分對管與激光校準(zhǔn)技術(shù)，保證在-40℃～125℃，其輸出電壓滿足要求。

2.1.2 PIC12C672單片機(jī)

PIC12C672為Microchip公司PIC12C系列微控制器，是一8腳帶A/D的高性能超小型單片機(jī)，通過對內(nèi)部控制寄存器CONFIG、TRIS、ADCON0、ADCON1、INTCON、OPTION等設(shè)置進(jìn)行6個(gè)I/O工作模式定義。

根據(jù)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)要求，需將CONFIG設(shè)置為0CH、TRIS為0CH、ADCON0為045H、OPTION為C0H，即將單片機(jī)7腳定義為A/D輸入模式，采集熱端（散熱片）溫度，3、5腳定義為輸出模式，分別用于半導(dǎo)體制冷器電源控制輸出和報(bào)警控制輸出。

2.1.3 過熱保護(hù)裝置電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置由LM50BIM3集成溫度傳感器采集熱端（散熱片）溫度，經(jīng)PIC12C672內(nèi)置A/ D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并與設(shè)定溫度比較，從而確定PIC12C672單片機(jī)3腳的輸出狀態(tài)，由NTD24N06L控制半導(dǎo)體制冷器的電源，以保證半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在熱端溫度超限后能及時(shí)停止工作，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)熱端溫度超限5次時(shí)發(fā)出告警信號。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置軟件流程如圖3所示。為便于今后添加半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)其他控制功能，采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主程序模塊、初始化子模塊、控制子模塊以及報(bào)警子模塊等。

1）初始化子模塊完成PIC12C672的初始化設(shè)置并設(shè)定熱端溫度上限等；

2）主程序模塊啟動A／D轉(zhuǎn)換，通過PIC12C672單片機(jī)7腳對LM50BIM3集成溫度傳感器的輸出電壓進(jìn)行采樣，并完成溫度的A／D轉(zhuǎn)換；將A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果與設(shè)定上限進(jìn)行比較；

3）控制子模塊主要依據(jù)熱端溫度是否超限，由PIC12C672單片機(jī)3腳控制NTD24N06L的導(dǎo)通，及時(shí)可靠的接通或斷開半導(dǎo)體制冷器電源；

4）報(bào)警子模塊主要依據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)熱端溫度是否連續(xù)超限5次，由PIC12C672單片機(jī)5腳控制報(bào)警電路，對外發(fā)出告警信號。

圖3 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置軟件流程圖

2.3 應(yīng)用

某船用一體化主機(jī)半導(dǎo)體冷卻系統(tǒng)因未安裝相應(yīng)的過熱保護(hù)裝置曾出現(xiàn)了因散熱裝置的散熱效果不理想，導(dǎo)致散熱片溫度不斷升高，致使半導(dǎo)體制冷器因冷、熱端溫差過大而燒毀。為避免類似事故的再次發(fā)生，再重新設(shè)計(jì)散熱裝置的同時(shí)基于上述設(shè)計(jì)成功研制了過熱保護(hù)裝置，其實(shí)物如圖4所示。

所研制的過熱保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)經(jīng)湊，占用空間小，方便的實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的有效集成。自重新設(shè)計(jì)散熱裝置和加裝過熱保護(hù)裝置后，確保了熱端溫度在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，保證了半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)安全可靠工作。該一體化主機(jī)半導(dǎo)體冷卻系統(tǒng)未再發(fā)生半導(dǎo)體制冷器的相關(guān)故障。

圖4 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置

3 結(jié)論

基于PIC12C672單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置，以LM50BIM3為溫度傳感器，功率場效應(yīng)晶體管為控制元件，運(yùn)用PIC12C672內(nèi)置的A/D，通過編程實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)熱端溫度采集、上限判斷、半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)電源控制和報(bào)警輸出等功能，可保證半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)安全可靠工作，同時(shí)該裝置結(jié)構(gòu)經(jīng)湊，占用空間小，可方便的實(shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的集成。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于PIC12C672的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)過熱保護(hù)裝置”，作者為郭朝有、吳雄學(xué)。）