當前，高速芯片如CPU、FPGA和GPU等主要采用散熱片+風扇的冷卻技術。但風扇在大幅度降低高速芯片溫度的同時，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+半導體制冷器的冷卻技術，因無任何機械運動部件具有無噪聲、無磨損、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，已逐步應用于對噪聲有嚴格要求的各種場合。

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

1 半導體制冷技術

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

實際應用的半導體制冷器是一由多個P型和N型半導體元件并聯(lián)而成的熱電偶對（如圖1所示），當給由多個N型和P型組成的熱電偶對通以直流電后，從N型流入P型半導體時，因半導體勢能提高，則因N型、P型結合處需吸收熱量而使溫度降低，而從P型流入N型半導體時，因勢能下降，在N型、P型結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端面形成冷端和熱端，從而達到制冷的目的。

因此，半導體制冷系統(tǒng)總要通過散熱片與冷、熱源進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)生故障將導致散熱片溫度不斷升高，輕則影響半導體制冷系統(tǒng)的冷卻效果，重則會導致半導體制冷器因冷、熱端溫差過大而燒毀。為此，半導體制冷系統(tǒng)一般都需有過熱保護裝置以保證其可靠、安全工作。

圖1 半導體制冷器組成示意圖

2 半導體制冷系統(tǒng)過熱保護裝置

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

圖2 半導體制冷系統(tǒng)過熱保護裝置電路原理圖

2.1硬件設計

2.1.1 LM50集成溫度傳感器

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

2.1.2 PIC12C672單片機

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，通過對內(nèi)部控制寄存器CONFIG、TRIS、ADCON0、ADCON1、INTCON、OPTION等設置進行6個I/O工作模式定義。

根據(jù)半導體制冷系統(tǒng)過熱保護裝置的設計要求，需將CONFIG設置為0CH、TRIS為0CH、ADCON0為045H、OPTION為C0H，即將單片機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，分別用于半導體制冷器電源控制輸出和報警控制輸出。

2.1.3 過熱保護裝置電路設計

如圖2所示，半導體制冷系統(tǒng)過熱保護裝置由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 轉換為數(shù)字量，并與設定溫度比較，從而確定PIC12C672單片機3腳的輸出狀態(tài)，由NTD24N06L控制半導體制冷器的電源，以保證半導體制冷系統(tǒng)在熱端溫度超限后能及時停止工作，并在規(guī)定時間內(nèi)熱端溫度超限5次時發(fā)出告警信號。

2.2 軟件設計

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

1）初始化子模塊完成PIC12C672的初始化設置并設定熱端溫度上限等；

2）主程序模塊啟動A／D轉換，通過PIC12C672單片機7腳對LM50BIM3集成溫度傳感器的輸出電壓進行采樣，并完成溫度的A／D轉換；將A／D轉換結果與設定上限進行比較；

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

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

圖3 半導體制冷系統(tǒng)過熱保護裝置軟件流程圖

2.3 應用

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

所研制的過熱保護裝置結構經(jīng)湊，占用空間小，方便的實現(xiàn)了與現(xiàn)半導體制冷系統(tǒng)的有效集成。自重新設計散熱裝置和加裝過熱保護裝置后，確保了熱端溫度在設定溫度范圍內(nèi)，保證了半導體制冷系統(tǒng)安全可靠工作。該一體化主機半導體冷卻系統(tǒng)未再發(fā)生半導體制冷器的相關故障。

圖4 半導體制冷系統(tǒng)過熱保護裝置

3 結論

基于PIC12C672單片機的半導體制冷系統(tǒng)過熱保護裝置，以LM50BIM3為溫度傳感器，功率場效應晶體管為控制元件，運用PIC12C672內(nèi)置的A/D，通過編程實現(xiàn)了半導體制冷系統(tǒng)熱端溫度采集、上限判斷、半導體制冷系統(tǒng)電源控制和報警輸出等功能，可保證半導體制冷系統(tǒng)安全可靠工作，同時該裝置結構經(jīng)湊，占用空間小，可方便的實現(xiàn)與半導體制冷系統(tǒng)的集成。

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