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前言：
在激光器中，需要通过晶体来改变光的特性，然而，光经过晶体时会产生热量，因此，需要把这些热量带走，传统的风冷、水冷不适合晶体的降温。
另外，晶体要能够正常工作，有时候需要加温，只有当晶体在特定恒定的温度时，晶体对光的特性的改变才会稳定。
这就要求，对晶体的温度进行精确的控制（包括升温和降温），传统的风冷和水冷都无法满足上述的要求。因此需要一种新的技术手段满足上述要求。 半导体制冷片就这能够满足上述要求。
第1章 半导体制冷片
1.1 概述
半导体制冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才出现。
它利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。
电偶，是指由两个电量相等，距离很近的正负电荷所组成的一个总体。正电荷称为电偶的电源，负电荷称为电偶的电穴。
热电偶 thermocouple：热电偶是根据热电效应测量温度的传感器，是温度测量仪表中常用的测温元件. 热电偶是两个不同的金属原件焊接在一起，电流通过时会有压差，用压差来显示温度。
1.2 制冷器的工作效果
薄而轻巧，体积很小，不占空间，并可以携带，做成车用电冷/热保温箱，放置车上，不占空间，并可变成冰箱及保温箱，夏天可以摆上几瓶饮料，就可以便冰饮，在冬天就可以变成保温箱。
制冷器通电后，如上图所示，电流由A端流向B端的过程中，会吸收A端的能量，导致A端的温度下降，流经材料X, 回到B端是，重新释放能量，导致 B端的温度升高。
从宏观上看，制冷片通电后，由于电子的运动，会吸材料一面的能量，使得一面的温度降低，起到制冷的效果；同时，能量不凭空的消逝，被吸收的能量，会被携带到另一面，导致另一面温度的升高，在温度升高的一面，通过水冷或风冷，把能量散发到空气中，这样通电后，就起到了制冷的效果，这与空调制冷的效果类似，只不过，这里的材料不是氟利昂，而是硅半导体材料。
1.3 致冷器件的结构与原理
制冷器是由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其它金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，外观如下图（3）所示，看起来像三明治。
冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源，也就是欲冷却之。
其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极（-）出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。
制冷器一个典型的应用就是用来替代散热片给CPU降温，它是利用冷端面来冷却CPU，而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。
制冷器也应用于做成车用冷/热保温箱，冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。
1.4 制冷片案例
1.5 制冷片的硬件接口
硬件接口其实很简单，一个是电源的正极，一个电源的负极。
1.6 制冷器自身的扇热
制冷器直流通电后，通过电子的运动，把热量从冷面带到热面，热面的热量越来越高，冷面的温度降低，如果热面的热量无法被其他方式带走的话，制冷片就会受损害。
解决这个问题的办法：
（1）通过风冷或水冷，带走热面的热量。
（2）停止供电，避免热面的温度继续升高，TEC温控器, 就是采用的这种方式，确保制冷片保持一定的恒温。
1.7 制冷器的整体架构
制冷片的作用：就是把制冷对象的热量带到热面。
TEC温控器的作用：确保制冷对象的温度工作在目标温度上下：
- 当目标对象的温度高于目标温度是，给制冷片通电，让制冷片把目标对象的温度带走；
- 当目标对象的温度低于某个温度时，停止供电或反向供电，提高目标对象的温度。
散热装置：确保制冷片自身不会因为热面的温度过高而损坏。
传感器：获取目标对象的温度。
1.8 更多信息参考：
CP系列制冷片-12706-7103|TECooler一冷科技
第2章 TEC温控器
2.1 概述
用于驱动半导体制冷片TEC工作，实现双向（升温或降温）温度控制，具有优异的恒温性能；
输出模式也可软件设置为单向加热，用来驱动电阻发热式元件（比如陶瓷加热片/棒、PTC加热片）。
2.2 硬件接口
2.3 工作原理
温控模块有一个单片机，基本原理如下：
（1）通过RS232串口，设定目标温度。
（2）读取温度传感器的温度。
（3）计算当前的温度差。
（4）运行PID算法，计算PID
（5）把PID的值，转换成对TEC直流电压值，驱动TEC制冷或升温。
（6）如此反复，确保与温度传感器的目标对象的温度恒定在设定的温度范围内，通常温度的波动可以达到0.01°。
2.4 更多参数
TEC半导体致冷片温控模块选择指南 - 成都业贤科技有限公司
第3章 温控系统设计的注意事项
温控是一个系统，涉及到TEC制冷片、TEC控制器、安装位置、扇热系统，任何一个环境出现问题，都可能导致制冷效果达不到目标要求。
温控板的直接被控对象一般是金属，比如铜块。但是注意，此处被控对象是对TEC 而言的，并不是真正需要控温的物体，真正需要控温的，其实是通过直接被控对象来间接控制的，我们可以叫做间接对象。真正需要控温的物体，也即间接对象，可能是放在上述直接对象中（比如激光倍频晶体，是包裹在直接对象中的），它是贴在直接对象上，给间接对象提供一个恒温的基础环境。而对 TEC而言，直接对象一般是金属，这是因为只有金属才能快速的传热，只有金属，本身的温差小，自身才能有一个一致的温度，同样也只有探头和金属的直接四围接触，才可以取得较快的响应时间。从以上的说明，也可以知道 NTC 放置位置的注意点。NTC 应该放置在整个被控对象中温度最稳定的地方，既不要太靠近间接对象（自身热量可能随工作状态快速变化），也不要太靠近 TEC（TEC 随工作量的变化，也可能引起其表面温度的快速变化）。
3.1 安装与散热
（1）TEC 作为一个平板，上下都要是平面金属才行。一边是散热基底，一边是被控金属对象。
（2）上下的金属要注意隔热。
（3）散热底座要足够的大，特别是需要制冷的系统，往往散热还要加入风冷。
（4）TEC 的直接被控对象是金属（与TEC的冷面相接触）
（5）客户真正需要控制的对象（比如晶体、丌规则物体、玻璃、空气、液体等）
往往是通过金属来间接控制的，想直接控制晶体是误区。
3.2 温度传感器
（1）温度探头的选型和安装极其重要。
探头往往要选小黑头类的小体积小相应时间的探头。
安装一般要在金属对象上打孔用 AB 胶埋入固化。
安装位置要在金属居中的位置，不要靠近 TEC，也不要靠近最终对象（如晶体，可能自身有热源）。
（2）温度传感器是有响应时间的，并不是立即就能感应到温度的变化。
3.3 TEC制冷片的注意事项
（1）TEC制冷片的标称电压不要低于温控板的输出电压，否则温控板输出最大电压时，TEC 本身就过载了，可能会把TEC制冷片烧坏。
（2）对于TEC控制板而言，TEC制冷片看成是一个电阻负载, 电阻值不能太小，即当TEC输出最大电压时，流经TEC的电流不能超过板子的标称电流，否则容易把TEC控制板烧坏。
（3）TEC电阻的计算
如12V6A 的 TEC，电阻值R=12V/6A = 2欧。
则当提供10V电压时，则实际的电流I = 10V/2 = 5A
（4）TEC并联时，注意，其工作电流不要超过TEC控制器的最大电流。
（5）TEC的功率直接影响制冷效果，当TEC的功率太少时，制冷的效果就受到影响。
（6）相同的功率下，制冷片的面积越大，制冷效果越好。
（7）TEC散热总的热量计算
在对TEC“热”面扇热时，除了考虑制冷面的热源产生的热量，直接热量还包括TEC制冷片自身产生的热量。如目标热源的产生的热量是10W, 制冷片自身产生20W的热量，总的散热要求就是10W+20W的散热要求。这也是制冷片耗能的主要原因。
（8）TEC 的效率和TEC 上下表面的温差相关
温差越大，效率越低。如果TEC 热面的散热没有做好，可能会造成温差越来越大，效率越来越低，直至整个系统失控，被控对象逐步升温的状态。
（9）并不是 TEC 的功率越大越好
比如 10A 的制冷能力就一定比 6A 的强。但并非一定要选10A制冷能力的制冷片。
TEC制冷片的电流越大，对TEC控制的输出电流能力要求越大，否则容易烧坏TEC控制器。
TEC制冷片功率，取决于目标生成的能量的大小和系统散热的效能。
（10）TEC的抗过压的能力
TEC 有一定的过电压能力，但是过压不能太多（比如不要超过 20%），过电压太多时，TEC 效率很低，发热严重，有损坏的风险。
3.4 TEC控制器的注意事项
（1）温控板的输端的电压不可空载测试，否则测量值无意义
（2）温控的延时
PID 算法（比例积分微分）有周期，需要调整很多周期才能最终稳定，也即温控是绝对滞后的。
当对象温度发生变化（微小的变化除外）到温度稳定，可能需要一分钟甚至更久的时间，因此希望‘绝对实时’控温本身就是不合逡辑的。控温的目的，是给上述间接对象提供一个温度相对稳定的基底环境，而并不是‘实时’的控制间接对象在一个恒定的温度。例如作为间接对象的激光晶体，当需要出光时，这个光脉冲就必须是正常的，这个正常的保证，肯定不是通过绝对滞后的温控来独自保证的，而是温控，加晶体本身的参数选择，激光器的工作模式，铜块的设计等综合因素一起决定的。
（3）关于PID 参数的调整
板子内置的默认 PID 参数，为一般最佳参数，厂家通常是针对金属类被控对象做了优化。在没有其他设计、安装问题的情冴下，一般不需要修改任何参数。
一般的PID算法的参数都是针对特定的应用场景的，有一定的限制条件，如果这些限制条件发生了变化，就需要修正PID的参数。