半导体pic技术用PIC12C672单片机，构建的半导体制冷系统过热保护装置

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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用PIC12C672单片机，构建的半导体制冷系统过热保护装置

热端（散热片）的温度监测及过热保护装置是半导体制冷系统必需的辅助装置。以为控制核心，LM50BIM3为温度传感器，MOSFET为控制元件，构建了一半导体制冷系统过热保护装置，实际应用表明该过热保护装置可保证半导体制冷系统安全可靠工作。

当前，高速芯片如CPU、FPGA和GPU等主要采用散热片+风扇的冷却技术。但风扇在大幅度降低高速芯片温度的同时，也产生了大量的噪声，不适用于某些对噪声有特殊要求的场合。散热片+半导体制冷器的冷却技术，因无任何机械运动部件具有无噪声、无磨损、可靠性高、寿命长等优点，已逐步应用于对噪声有严格要求的各种场合。

但现有的半导体制冷系统一般要求具有对热端（散热片）进行温度监测及过热保护的过热保护装置，本文即以PIC12C672单片机为控制核心，LM50BIM3为温度传感器，功率场效应晶体管为控制元件，构建了半导体制冷系统的过热保护装置，以保证半导体制冷系统安全可靠工作。

1 半导体制冷技术

半导体制冷是帕尔帖原理在制冷技术方面的应用，是一种新型的制冷方式。半导体制冷器即是基于半导体材料的温差效应，利用直流电流通过由两种不同半导体材料串联而成的电偶时引起半导体材料中的热量传递制成的一种新型制冷器。

实际应用的半导体制冷器是一由多个P型和N型半导体元件并联而成的热电偶对（如图1所示），当给由多个N型和P型组成的热电偶对通以直流电后，从N型流入P型半导体时，因半导体势能提高，则因N型、P型结合处需吸收热量而使温度降低，而从P型流入N型半导体时，因势能下降，在N型、P型结合处则因放出热量而使温度升高。这样就在制冷器件的上下两个端面形成冷端和热端，从而达到制冷的目的。

因此，半导体制冷系统总要通过散热片与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作，而一旦散热片的散热装置发生故障将导致散热片温度不断升高，轻则影响半导体制冷系统的冷却效果，重则会导致半导体制冷器因冷、热端温差过大而烧毁。为此，半导体制冷系统一般都需有过热保护装置以保证其可靠、安全工作。

图1 半导体制冷器组成示意图

2 半导体制冷系统过热保护装置

半导体制冷系统过热保护装置如图2所示，包括采用LM50BIM3温度传感器、PIC12C672单片机和NTD24N06L功率场效应晶体管等构成的核心电路以及外围报警电路和供电电路等。

图2 半导体制冷系统过热保护装置电路原理图

2.1硬件设计

2.1.1 LM50集成温度传感器

LM50BIM3为美国国家半导体公司的集成温度传感器，该传感器只需4.5V～10V单电源供电即可实现对-40℃～125℃温度的线性感应，并采用差分对管与激光校准技术，保证在-40℃～125℃，其输出电压满足要求。

2.1.2 PIC12C672单片机

PIC12C672为Microchip公司PIC12C系列微控制器，是一8脚带A/D的高性能超小型单片机，通过对内部控制寄存器CONFIG、TRIS、ADCON0、ADCON1、INTCON、OPTION等设置进行6个I/O工作模式定义。

根据半导体制冷系统过热保护装置的设计要求，需将CONFIG设置为0CH、TRIS为0CH、ADCON0为045H、OPTION为C0H，即将单片机7脚定义为A/D输入模式，采集热端（散热片）温度，3、5脚定义为输出模式，分别用于半导体制冷器电源控制输出和报警控制输出。

2.1.3 过热保护装置电路设计

如图2所示，半导体制冷系统过热保护装置由LM50BIM3集成温度传感器采集热端（散热片）温度，经PIC12C672内置A/ D 转换为数字量，并与设定温度比较，从而确定PIC12C672单片机3脚的输出状态，由NTD24N06L控制半导体制冷器的电源，以保证半导体制冷系统在热端温度超限后能及时停止工作，并在规定时间内热端温度超限5次时发出告警信号。

2.2 软件设计

半导体制冷系统过热保护装置软件流程如图3所示。为便于今后添加半导体制冷系统其他控制功能，采用模块化设计，分为主程序模块、初始化子模块、控制子模块以及报警子模块等。

1）初始化子模块完成PIC12C672的初始化设置并设定热端温度上限等；

2）主程序模块启动A／D转换，通过PIC12C672单片机7脚对LM50BIM3集成温度传感器的输出电压进行采样，并完成温度的A／D转换；将A／D转换结果与设定上限进行比较；

3）控制子模块主要依据热端温度是否超限，由PIC12C672单片机3脚控制NTD24N06L的导通，及时可靠的接通或断开半导体制冷器电源；

4）报警子模块主要依据在规定时间内热端温度是否连续超限5次，由PIC12C672单片机5脚控制报警电路，对外发出告警信号。

图3 半导体制冷系统过热保护装置软件流程图

2.3 应用

某船用一体化主机半导体冷却系统因未安装相应的过热保护装置曾出现了因散热装置的散热效果不理想，导致散热片温度不断升高，致使半导体制冷器因冷、热端温差过大而烧毁。为避免类似事故的再次发生，再重新设计散热装置的同时基于上述设计成功研制了过热保护装置，其实物如图4所示。

所研制的过热保护装置结构经凑，占用空间小，方便的实现了与现半导体制冷系统的有效集成。自重新设计散热装置和加装过热保护装置后，确保了热端温度在设定温度范围内，保证了半导体制冷系统安全可靠工作。该一体化主机半导体冷却系统未再发生半导体制冷器的相关故障。

图4 半导体制冷系统过热保护装置

3 结论

基于PIC12C672单片机的半导体制冷系统过热保护装置，以LM50BIM3为温度传感器，功率场效应晶体管为控制元件，运用PIC12C672内置的A/D，通过编程实现了半导体制冷系统热端温度采集、上限判断、半导体制冷系统电源控制和报警输出等功能，可保证半导体制冷系统安全可靠工作，同时该装置结构经凑，占用空间小，可方便的实现与半导体制冷系统的集成。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于PIC12C672的半导体制冷系统过热保护装置”，作者为郭朝有、吴雄学。）

“不来不知道，一来吓一跳！”宁波这个战新产业让专家吃惊……

12月4日，第二届长三角新材料暨第三代半导体发展论坛在北仑举行。近两年在资本市场掀起滔天巨浪的第三代半导体（业内俗称“三代半”），成为本次论坛的话题焦点。

炒股的人或许知道，“三代半”概念股如同脱缰的野马，在A股市场创造了一个个神话般的奇迹——

如“三代半”光电器件制造商三安光电目前股价29元，较去年上半年涨幅超过200%；主营“三代半”设计、制造、封测的闻泰科技股价从2019年上半年的17.56元一路上攻至171元，涨幅接近900%。

“三代半”究竟有什么魔力？有哪些应用？宁波如何把握这个“十四五”期间国家重点布局的战新产业？在这次论坛上，这些问题都有了一些答案。

啥是“三代半”？用在哪？

“首先我们需要明确一点，第三代半导体和第一代、第二代并不是一个替代关系，第三代半导体的学名叫宽禁带半导体，可能将这三代半导体称为三类半导体会更好理解一些。我们手机、电脑中常用的处理器芯片是第一代半导体，是硅基芯片，‘三代半’不会替代这部分芯片。”国家第三代半导体产业技术创新战略联盟副秘书长冯亚东说。

国家第三代半导体产业技术创新战略联盟副秘书长冯亚东

第一代半导体的主要材料是硅，第二代是砷化镓等，而第三代的主要材料是氮化镓、碳化硅，未来还会有氧化锌、金刚石等等。

第三代半导体的最大特点就是“三高”——可以在高温、高压、高功率的环境下运作。第一代半导体更适合在低压下工作，也更容易制成复杂的逻辑芯片，所以未来电脑和手机等使用的芯片主角还是第一代半导体，但却无法胜任高温、高压、高功率的工作环境。

其实第三代半导体早已走进大众的生活中，比如现在手机界最流行的技术就是快充——原本需要一晚上充满的电，如今几十分钟就能充满。而快充适配器中就用到了氮化镓材料制成的功率器件。“这就是第三代半导体高功率、高转化率的直接体现。”冯亚东说。

第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长吴玲详细介绍了第三代半导体目前的应用领域。首先是照明领域，LED目前是中国最大的第三代半导体应用场景。

第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长吴玲

人类的照明经历了木材、油灯、蜡烛、白炽灯、荧光灯、三基色节能灯到LED灯的演化。白炽灯只能将不到百分之十的能量变成光，荧光灯在20%左右，而LED灯消耗的电能仅仅是白炽灯的八分之一甚至更低。如果将所有照明变成LED的话，将给家庭和国家节约大量的电能。据第三代半导体产业技术创新战略联盟测算，这个数字是大概每年能节电1万亿度。

而照明会派生出另外两个“三代半”的应用领域。一是特种照明，如LED深紫外（UVC），UVC又称短波紫外线，这个领域今年成为巨大风口。在《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案（试行第六版）》中，紫外线杀菌被列入针对新冠病毒最有效的杀菌方式。且用UVC LED照射50秒内，即可杀除大肠杆菌、白色念珠菌等99.99%的常见病菌。

“因为这次新冠疫情，国内外的很多餐饮外送企业都开始要求在外卖箱里嵌入UVC LED杀菌技术，这就不仅给我们带来了不少的新增订单，还开拓了我们技术的应用场景。”宁波升谱光电股份有限公司副总经理尹辉说。

此外，特种照明还包括农业照明，如光培植物、光培家禽、家畜；光医疗，如用黄光治疗消炎等。

从照明延伸出的第二个应用场景是光电显示领域，包括Mini LED、Micro LED、倒装LED等显示。

大功率器件又是一个“三代半”应用领域，包括前面提到的快充，再如5G基站的通讯器件、我国高铁、电动汽车的功率器件，都需要大量的“三代半”材料。目前比亚迪的汉EV Pic/04就使用了碳化硅(SiC)模块，这也是国内首款应用自主研发碳化硅(SiC)模块的电动汽车。

还有一个更大的应用领域，就是电力电网、输配电、智慧电网、储电建设领域。我国拥有世界上最大的电网系统，未来的电网建设方向必然是智能化程度越来越高的智慧电网。这样的智慧电网要求有能适应高电压环境的电子控制器件来实时控制。

“我们以前给高压电拉闸都得抱着大长杆子去拉闸，一旦想合上还得用大长杆子去操作，非常不方便，也不智能。如果可以用电路控制就好了，但是传统的硅半导体因为无法承受这么高的电压，而无法正常工作。现在有了第三代半导体SiC，就可以在高电压电路里自动控制开关了，而且开关的速度非常快，完全可以实现智能操作。在所有的高压线路中使用功率器件，实现自动化控制是世界各国都在努力的方向。”冯亚东说。

宁波如何抢抓机遇？

目前，第三代半导体已经被列入“十四五”期间国家重点发展的战略性新兴产业目录。各地也抓紧政策机遇，加大投资。目前，全国发展“三代半”的重点区域呈“一体两翼”之势——

“一体”是北京顺义，主要依托的是北京出色的科研实力，清华北大都已组建高层次团队承担国家使命。“两翼”分别是深圳和江苏，深圳市政府已投入50亿元专项资金支持建设深圳“三代半”国家实验室；江苏的手笔更大，投入150亿元，分三期推动产学研融合。

如此重视这个产业的原因有三：

首先，第三代半导体未来应用领域广泛。如今，中国第三代半导体的市场规模近8000亿元（大部分是照明），但未来这个规模会成几何倍数增长。

其次，中国已经吃了第一代半导体既硅基芯片的大亏，决不能重蹈覆辙，且在“三代半”领域，中国的基础较好，与西方差距不算太大——照明器件领域处于领先地位，芯片国产化率高达80%，光电显示领域也逐步实现国产替代，目前替代率20%左右，但通信、新能源汽车领域的核心器件和材料还是有一些差距，但赶上去的速度和进度都较快。

第三，相较硅基芯片的研发、设计、制造，“三代半”的投资成本和技术难度都要低一些。以8寸产线为例，第一代半导体的投资金额为400亿元左右，“三代半”只要几十亿元，这也使更多的民营企业可以加入到这个行业中。

那么，目前宁波“三代半”产业的基础又是如何呢？“其实宁波不声不响的，已经在‘三代半’领域有了不少潜力股。”吴玲说。

就在近日，位于杭州湾的中电化合物传来喜讯。“目前，我们6吋碳化硅衬底及外延片、碳化硅基氮化镓外延片已进入客户认证阶段。不出意外，最快明年便能实现量产。”公司总经理潘尧波说。按照计划，这个全省首个第三代半导体项目设计年产能将达8万片，达产后年销售额可达6亿元。

同样位于杭州湾新区的宁波紫芯科技有限公司，已经将应用于工业固化、3D打印、消毒杀菌等特殊应用领域的LED浅紫外外延及芯片、大功率深紫外外延及芯片等产品实现量产。

位于北仑芯港小镇的宁波铼微半导体有限公司主要从事氮化镓器件相关研发、应用与产业化；余姚的宁波沁圆科技，也正在开展器件的研发和应用……

“不来不知道，一来吓一跳，宁波的‘三代半’产业基础比较雄厚，企业质量很高，成果也很令人鼓舞，相信宁波在第三代半导体领域一定能够有所作为。”冯亚东说。

“宁波的产业集群非常有特色，我经常在全国推广宁波的经验，希望宁波能抓住这波机遇，在‘三代半’领域的某些特定、特色行业中，培育一些产业集群，在宁波建设一些‘三代半材料’硅谷。”中国工程院院士、国家新材料产业发展专家咨询委员会主任干勇表示。

中国工程院院士、国家新材料产业发展专家咨询委员会主任干勇

那么，下一步宁波的“三代半”产业有哪些特别适合的方向呢？

市经信局相关负责人也谈了自己的看法——适配本地产业的领域，也许会更快成长突围。

如公牛等家电企业目前都已经开始生产快充产品，这类功率器件用量十分大；宁波电工电气产业发达，天安电气等企业未来需要大量的“三代半”产品；又如锦浪科技的光伏逆变器也大量使用“三代半”器件，目前还是以进口为主，希望本地企业抓住机遇，实现替代。

此外，宁波是重要的汽车制造基地，新能源车中大量的“三代半”芯片、器件是一片巨大的处女地，值得开拓。

END

文字：乐骁立编辑：朱忠诚美编：周驰

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用PIC12C672单片机，构建的半导体制冷系统过热保护装置

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3 结论

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