前言

一般汽车停在大太阳底下、关掉汽车引擎的情况下，若将汽车窗户全部关闭时，此时车内如同一个密封的烤箱，其温度会上升到大约55C，这样的温度使得准备开车的人或坐在车内的人相当难受。一般人在此种情况下，通常会起动汽车冷气并搭配高转速的风扇产生强风瞬间强迫降温，此时汽车引擎必定消耗大量汽油并造成周围的空气污染，如此相当不符合经济效益及环保要求。

因此本文希望研究一个辅助的汽车内温度调节器，在引擎袭火、未开冷气时，可以自动调节车内的温度到达舒适的范围。在汽车温度较高的情况下，通入正值电流至热电致冷芯片(以下简称TEC)产生冷的效果，以降低温度；在温度低的条件下，通入负值电流至TEC产生热能，以提高车内温度。如此一来，不论汽车外面的温度如何改变，都可能使人一进到汽车内时，可立即拥有一个舒适的温度。

本文的温度调节器是利用TEC做为冷却或控温的核心组件。在1834年，法国制表匠珀尔帖(Peltier)研究发现：若在两种不同金属接合的线路上通以电流，则其中一个接点会放热，而另一个接点则会吸热，此现象通称为「珀尔帖效应」。典型的热电致冷组件单层与双层之照片如(图一)所示。

如(图二)所示为热电致冷组件之内部剖面图，其内部是由多个P型及N型半导体小方块体(pellets)所组成，上下则由陶瓷基体(ceramic substrate)所组成，P型及N型半导体小方块体由导体片(conductor tabs)所连接，导体片最后再引接至外部的两条正极性(红色)、负极性(黑色)的导线。(图三)所示为该类热电致冷组件基本原理示意图，当两条正极性(红色)、负极性(黑色)的导线通入电流时，下方蓝色的一面会吸热而变冷，上方红色的一面则会放热而产热，其热流方向或电子流方向是由下方蓝色的一面，流向上方红色的一面(即由冷面向热面流动)。(图四)所示为(图三)致冷芯片更详细之内部电子流动概要图。

热电致冷组件的用途，可依随着它的变化特性，应可用于日常生活中的各种角落。在日常生活用品、航天工业、医学生物化验、军事民生工业等均处处可见热电致冷组件之使用。热电致冷组件最常见的日常用途，如：个人计算机的中央处理器(CPU)之冷却、除湿箱、雷射发光头的冷却、车用行动冷藏箱、冰水机、冷热敷疗器、小型冰箱等。

此外，本文亦利用太阳光照射在太阳能电池(solar cells)上，利用所产生的电能对汽车内部的蓄电池进行充电，此电能亦可同时提供电力给TEC使用，因此并未使用汽车引擎带动发电机所产生的电能或汽车蓄电池已储存之电能，故本文的研究成果已同时达到使用绿色能源以及兼顾环保的双重功效。

《图一 典型热电致冷组件之照片[4]》

《图二 致冷芯片剖面图[5]》

《图三 致冷芯片基本原理示意图[5]》

《图四 致冷芯片之动作概要图[6]》

功能与创新

（1）TEC与传统冷冻压缩机相互比较下，TEC之优点具有体积小、无噪音、不使用冷煤等，因此无环保公害、寿命长，可倒立或侧立使用，无方向的限制等优点。

（2）不会发生消耗汽车蓄电池已储存之电能、导致汽车引擎无法起动的问题。

（3）侦测汽车外的气温，自动切换为降温或升温模式，可随时提供一个舒适的温度给驾驶人及乘客。

（4）侦测温度调节器之进风口温度，可自动切换TEC的电压、水冷帮浦及出风口风扇之转速等。

（5）具有汽车蓄电池过度放电之保护及警示。

（6）可降低汽油燃料的使用，利用大自然的阳光照射太阳能电池，以产生电能对汽车蓄电池进行充电，也同时提供电力给TEC，达到使用绿色能源及环保的双重效果。

工作原理

（6）可降低汽油燃料的使用，利用大自然的阳光照射太阳能电池，以产生电能对汽车蓄电池进行充电，也同时提供电力给TEC，达到使用绿色能源及环保的双重效果。

工作原理与功能

（1）TEC是利用珀尔帖效应，使得TEC通入电流以后，一面会产生热能，而另一面则会吸收热能，本文利用TEC其中的一面做为温度调节器的核心，并在此面加上金属鳍片，以增加导热的面积。

（2）当TEC通入正电流时，装上金属鳍片的一面会吸收汽车内空气的热量；当TEC通入负电流时，原本吸收热量的那一面会转变为放出热量。因此，TEC的同一面，只要更改通入的电流方向，即可决定是要提高或降低车内的温度。文中此后称提高车内温度为「升温模式」 (heating mode)、降低车内温度为「降温模式」 (cooling mode)。

（3）在降温模式下，从汽车内吸收的热量可藉由一般计算机用的水冷系统加以散热。

（4）本文利用一片17 V、75 W的太阳能发电板来进行发电，太阳能板之发电电流经过高效率的开关式切换电源充电器(由LM2576所组成)对蓄电池进行充电。

（5）利用LM35温度感测组件量测汽车外面的温度以及出风口、进风口的温度，以自动调节脉波宽度调变方式控制水冷帮浦及出风口风扇转速，以降低系统能量的损耗。

（1）利用MCU内部之模拟对数字转换功能(AD)以及LM35温度感测组件来量测温度。

依据AD转换的结果，利用MCU做为一个命令决策中心，控制系统在升温/降温/关闭等不同模式。

（2）采用MCU之AD来量测蓄电池之电压，以判断蓄电池是否过度放电，并利用LED之显示以提示车主并停止供电给TEC。

（3）AD量测太阳能板之输出电流以及充电器输出电流，以判断是否发生过电流。

（4）利用MCU内建的脉波宽度调变(PWM)功能，以控制帮浦及风扇的转速。

（5）利用定时器Timer0的准确计时，以设计水冷系统的关闭延迟时间(off time delay)。

作品结构

（5）利用定时器Timer0的准确计时，以设计水冷系统的关闭延迟时间(off time delay)。

如(图五)所示为本文之系统方块图，该系统主要由三大部份所组成：太阳能电池、主电路1、主电路2、主电路3，其他的组件有12 V汽车蓄电池、电路板电源及TEC。(图二)左上方的太阳能电池规格为17 V、75 W，该输出电能经过主电路1之MCU1及高效率的降压转换器(buck converter)对(图二)中间上方之12 V汽车蓄电池进行充电。该12 V之汽车蓄电池之输出电能经过主电路2之MCU2及降压转换器对(图二)右方的TEC进行控制电流大小及极性，故主电路2负责控制TEC的电压以及负责控制降低TEC热面温度之水冷系统。MCU1及MCU2传送所量测模拟讯号至MCU3，由MCU3及24LC08组件进行液晶显示器(LCD)之数据显示。每个主电路之MCU皆采用一颗HT46R24担任量测、决策及控制，并借着输入输出接口(I/O)作数据的交换。

《图五 本文之系统方块图》

各主电路之完整电路图

如(图六)所示为主电路1之完整连接电路图，该电路是由MCU1 (HT46R24)、降压式直流-直流转换器(BUCK)、电流电压量测电路、低电压侦测电路、PWM可变电阻电路组成。该电路中，MCU1侦测太阳能电池的电压(V_pv)、电流(I_pv)、BUCK输出电流(I_out)、蓄电池两端电压(V_bat)，并通过逻辑的判断，决定PWM输出的责任周期(duty)以决定BUCK之输出电压。

如(图七)所示为主电路2之完整连接电路图，该电路是由MCU2 (HT46R24)、降压式直流-直流转换器(BUCK)、继电器、温度量测电路、PWM驱动器组成，其中温度量测电路是由温度传感器LM35及运算放大器(OP)所组成。LM35为一个具有量测宽广温度范围(-55C ~ 150C)的传感器，其输出电压对温度之变动率为+10 mV/C。MCU2依据量测到的车外气温(Ta)及汽车内的空气温度(Tair_in)，决定提供给TEC的电压大小与正、负极性，水冷帮浦及出风口风扇的责任周期，以及降温模式指示灯(led_cool)、升温模式指示灯(led_heat)、TEC模块风扇(tec_fan)、水冷系统散热排风扇(watercool_fan)的启动及关闭等工作。

如(图八)所示为主电路3之完整连接电路图，该电路是由MCU3 (HT46R24)、LCD模块、EEPROM(24LC08)所组成，MCU3之PB0-PB7分别量测MCU1及MCU2所传送过来的模拟讯号太阳能板的电压(V_pv)及电流(I_pv)、降压式直流-直流转换器之电压(V_buck)、蓄电池两端电压(V_bat)及电流(I_bat)、车外气温(Ta)、汽车内的空气温度(Tair_in)、冷气出风口温度(Tair_out)等，MCU3之PA0-PA7以及PC0-PB2与LCD模块连接做显示控制，EEPROM(24LC08)则以SDA、SCL两接脚与MCU3做连接。

《公式一 输出电压公式》

如(图九)所示为主电路1及主电路2内部之降压式直流-直流转换器(BUCK)的电路，该电路使用国际半导体公司(National Semiconductor)的LM2576-ADJ做为MOSFET开关的开关器，此转换器的输出电压公式如(公式一)，式中R2及R1为连接在该电路输出端至接地端间的两个串联电阻器。

《图六 主电路1之完整连接电路图》

《图七 主电路2之完整连接电路图》

《图八 主电路3之完整连接电路图》

《图九 降压式直流-直流转换器之电路》

硬件架构照片

如(图十)和(图十一)所示分别为TEC模块1及模块2(含水冷头、致冷芯片、散热片)的照片，每个模块的铜水冷头与散热片之间夹着两片TEC。如(图十二)所示为水冷系统与TEC模块连接的照片。如(图十三)所示为本文作品显示面板的配置照片。如(图十四)所示为本文所有电路板之实体照片。如(图十五)所示为本文量测时所采用之孕龙逻辑分析仪(LAP-16128U)照片，(图十六)所示则为本文使用孕龙逻辑分析仪在高速、中速、低速降温下之量测波形。

《图十 TEC模块1照片》

《图十一 TEC模块2照片(含水冷头、致冷芯片、散热片)》

《图十二 水冷系统与TEC模块连接照片》

《图十三 显示面板的配置照片》

《图十四 本文所有电路板之实体照片》

《图十五 本文量测时所采用之孕龙逻辑分析仪(LAP-16128U)照片》

《图十六 本文使用孕龙逻辑分析仪在不同速度降温下之量测波形》

程序流程图

如(图十七)所示为MCU1之主程序流程图，此程序先判断太阳能板电压V_pv是否小于9 V，若太阳能板发电电压过低则关闭LM2576，使得充电器不动作，以保护太阳能板。若太阳能板发电电压大于9 V，则开启LM2576。接着判断太阳能板电流I_pv是否大于4 A，若是则降低PWM电路的责任周期，以降低LM2576的输出电压；否则则判断I_out是否大于4 A，若是则降低PWM的责任周期，否则则增加PWM的责任周期以提高输出电压，俾对蓄电池充电并提供电流给TEC。此外，程序亦判断蓄电池电压V_bat是否小于11 V，若是则蓄电池电压为过低则使LED点亮，并使PA6输出1告知MCU2电池电压过低，应关闭TEC。

《图十七 MCU1之主程序流程图》

如(图十八)所示为MCU2之主程序流程图，此程序先判断由MCU1送过来的蓄电池电压过低讯号是否为1或开关(SW_Stop)是否按下，若是则进入系统关闭模式(Off Mode)子程序。若两者皆否，则通过HT46之AD量测车外气温Ta，若Ta > 28C则进入降温模式；若18C

< Ta ≦28C则进入关闭模式；若Ta ≦ 18C则进入升温模式。

《图十八 MCU2之主程序流程图》

如(图十九)所示为降温模式之子程序流程图，此程序先设定接脚cool_or_heat (PB7)为0，使LM2576提供正值电流给TEC，再以较低责任周期之PWM讯号驱动出风口风扇(Fan_out)，以便量测车内的气温(Tair_in)。当Tair_in > 34C、26C

< Ta ≦ 34C、Ta ≦ 26C的三种温度范围内，分别提供高、中、低等责任周期的PWM给Fan_out及water pumper驱动器，以分别供应高、中、低的电压给TEC，借着这样的控制方式来降低系统的能量损耗。

《图十九 降温模式子程序之流程图》

如(图二十)所示为升温模式子程序之流程图，此程序先设定接脚cool_or_heat (PB7)为1来激磁继电器，以使LM2576提供负值电流给TEC。然后以较低责任周期的PWM讯号驱动出风口风扇(Fan_out)，以便量测车内的气温(Tair_in)。当Tair_in > 20C、10C

< Ta ≦ 20C、Ta ≦ 10C三种温度范围内，分别提供低、中、高责任周期的PWM给Fan_out及water pumper驱动器，以分别供应低、中、高的电压给TEC。

《图二十 升温模式子程序之流程图》

如(图二十一)所示为关闭模式子程序之流程图，此程序先关闭LM2576、LED_cool、LED_heat，设定LM2576之回授电阻值，使LM2576输出为低压，以便在下次启动LM2576时，是以低电压方式启动，俾降低启动的电流。等待5分钟的延迟以后，再关闭水冷帮浦、出风口风扇、TEC_fan (TEC模块上的风扇)、water cool_fan (水冷系统散热排风扇)。延迟5分钟关闭是为了将TEC上的剩余温度恢复至室温值。

《图二十一 关闭模式子程序之流程图》

本文作品利用优塑板制作了一个长86 cm、宽47 cm、高60 cm的空箱(如图二十二)做为冷气循环的空箱，以仿真汽车内的空间。在空箱左方八分之一处内装有4片12 V、6 A的TEC (TEC-12706)以及循环用的风扇(即出风口风扇fan_out)，其中TEC的散热片模块则通过水管连接到水冷系统。如（图二十三）所示为水冷系统与仿真车体之空箱实体照片。

《图二十二 本文仿真汽车内部空间之优塑板空箱示意图》

《图二十三 水冷系统与仿真车体之空箱实体照片》

＜余国威目前为成功大学电机研究所电力组一年级研究生＞

＜王醴目前为成功大学电机系教授＞

本文给出电源设计中如何利用低端栅极驱动器IC的设计指南。其中包括如何选择适当的驱动器额定电流及功能，驱动器需要哪些支持组件，以及如何估算损耗和结温。在开关电源设计中，通过正确运用栅极驱动器IC，能够提高效率、减小尺寸并简化设计。

＜王醴目前为成功大学电机系教授＞

书籍

[1]钟启仁编着，『HT46xx微控制器理论与实务宝典』，全华科技图书，民国95年。

[3]吴一农编着，『Holtek48单芯片微计算机实务应用』，全华科技图书，民国94年。

技术报告

[1]Holtek,『HT46R24/HT46C24 A/D Type 8-Bit MCU』, March 2006.

[2]National Semiconductor,『LM2576/LM2576HV Series SIMPLE SWITCHERR 3A Step-Down Voltage Regulator』, June 1999.

[3]National Semiconductor,『LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors』, November 2000.

[4]http://www.heatsink-guide.com/

[5]http://www.tellurex.com/12most.html

[6]http://www.peltier-info.com/animation1.gif