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摘要
本文提供了設(shè)計(jì)更高功率TEC之前必須了解的熱電冷卻器(TEC)概念，解釋了限制熱電冷卻器冷卻能力的關(guān)鍵珀?duì)柼匦?，并且說明了可以如何圍繞這些限制展開設(shè)計(jì)。部分驅(qū)動器示例說明了控制更高功率TEC所需的條件。另外還包括可能阻礙現(xiàn)有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其預(yù)期冷卻能力的問題。
簡介
TEC使用珀?duì)柼K來冷卻物體或提供物體的準(zhǔn)確溫度控制，可用于多種應(yīng)用。它們是激光二極管冷卻器1,2、微處理器冷卻、聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)系統(tǒng)以及斷層掃描、心血管成像、磁共振成像(MRI)、放射治療等醫(yī)療應(yīng)用的理想之選。激光二極管溫度控制等許多應(yīng)用都使用功率在5 W至15 W范圍內(nèi)的小型低功耗TEC。它們的驅(qū)動器可能采用5 V供電軌運(yùn)行并提供1 A至3 A的電流。
但如果我們需要更高功率怎么辦？我們該如何做呢？我們應(yīng)該關(guān)注什么以及我們有什么選擇？我們從兩個(gè)角度來看。第一種情況是，我們已經(jīng)有一個(gè)正常工作的TEC，但這還不夠，需要將功率提升10%到20%。第二種情況是，從頭開始構(gòu)建更高功率的TEC。我們可以從珀?duì)柼b置獲得多少冷卻能力？我們應(yīng)該用什么來驅(qū)動它？
在開始之前，讓我們先了解幾個(gè)關(guān)鍵的珀?duì)柼拍睢?/p>
最大吸熱量
珀?duì)柼K的最大吸熱量(Qc)將在數(shù)據(jù)手冊中列出，但它適用于ΔT為零的情況。ΔT是珀?duì)柼麩岫撕屠涠酥g的溫差。當(dāng)熱端和冷端溫度相同時(shí)，Qc將如數(shù)據(jù)手冊中所述。然而，它會隨著ΔT的增加呈線性減小，直到某個(gè)點(diǎn)Qc = 0。該點(diǎn)也稱為最大ΔT，變化很大，但單級模塊的典型值可能約為70°C。請參見圖1中的一般示例。
圖1.熱吸收量與珀?duì)柼麥夭畹年P(guān)系。
假設(shè)我們希望將珀?duì)柼臒岫吮３衷?22°C的室溫，而希望將冷端保持在–5°C。珀?duì)柼淖畲箅娏鳛? A，因此我們計(jì)劃使用7 A驅(qū)動器。在我們的示例圖中，7 A電流下27°C的溫差將為我們提供41 W的能力。然而，所有接口都具有熱阻，因此當(dāng)熱量從珀?duì)柼鹘?jīng)散熱器并進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境時(shí)，將會出現(xiàn)溫度梯度。如此一來，珀?duì)柼臒岫司筒豢赡芴幱?2°C的室溫。假設(shè)熱端溫度為30°C。我們就得到35°C的冷熱溫差。參照圖1，沿著7 A線到達(dá)35°C ΔT點(diǎn)，這表明我們的排熱能力將為30 W左右——即使我們購買了100 W珀?duì)柼?/p>
自發(fā)熱
另一個(gè)重要的珀?duì)柼拍钍悄K在工作時(shí)會產(chǎn)生大量的自熱。自發(fā)熱量可能會是從目標(biāo)處吸收到的熱量的兩倍。例如，當(dāng)從目標(biāo)處吸收到25 W的熱量時(shí)，珀?duì)柼赡軙硗猱a(chǎn)生50 W的熱量。因此，熱端散熱器必須能夠散發(fā)75 W的熱量。
改進(jìn)現(xiàn)有TEC系統(tǒng)
在第一種情況下，我們有現(xiàn)成的TEC，只需要略微增加冷卻能力即可，為此我們可能要考慮一些問題。幾項(xiàng)明顯的問題領(lǐng)域包括TEC的熱端溫度、TEC組件接口的熱阻、珀?duì)柼b置上的電壓紋波、ΔT以及組件的絕緣。
建議首先檢查熱端的溫度，請參見圖2。請謹(jǐn)記，圖1的一項(xiàng)關(guān)鍵要點(diǎn)是珀?duì)柼涠撕蜔岫酥g的小增量至關(guān)重要。隨著溫差的增加，珀?duì)柼麖哪繕?biāo)汲取熱量的能力會減弱。
快速了解熱端溫度的一種方法是在TEC接近最大功率時(shí)檢查散熱器溫度。只需使用熱電偶，或者將測量結(jié)果發(fā)送至微處理器，熱敏電阻就會有效工作。請參見《基于熱敏電阻的溫度檢測系統(tǒng)—第1部分：設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和電路配置》和《基于熱敏電阻的溫度檢測系統(tǒng)—第2部分：系統(tǒng)優(yōu)化與評估》這兩篇出色的熱敏電阻文章。3,4如果熱端散熱器的溫度明顯高于室溫，則可能需要更大的散熱器和/或風(fēng)扇。
遺憾的是，上述的快速檢查并沒有告訴我們有關(guān)珀?duì)柼缴崞鹘涌诘娜魏涡畔ⅰＴ摻涌诳赡茌^難觸及，因此通常需要拆卸該裝置。該接口經(jīng)常使用導(dǎo)熱膏，我們想要檢查它以確定是否存在可能干擾熱傳導(dǎo)的氣穴。由于空氣是不良導(dǎo)熱體(0.026 W/(mK))，因此導(dǎo)熱膏的作用是消除氣穴。但不要使用很厚一層，因?yàn)樵?.2 W/(mK)至0.3 W/(mK)時(shí)，導(dǎo)熱膏也不是良好的導(dǎo)體，盡管金屬類型可能在4 W/(mK)范圍內(nèi)。然而，這種膏體的性能仍然比空氣好10倍。與之相比，鋁為200 W/(mK)，PCB銅為約380 W/(mK)，PCB FR4為約0.3 W/(mK)至0.8 W/(mK)，水為0.6 W/(mK)，玻璃為約1.0 W/(mK)。
請注意，有可能在達(dá)到某個(gè)點(diǎn)時(shí)，增加通過珀?duì)柼碾娏鲿a(chǎn)生與預(yù)期相反的效果，也就是會讓冷端變暖！這是因?yàn)殓隊(duì)柼赡芙咏渥畲螃，并且由于散熱不充分，所以增加電流會使熱端變暖。當(dāng)熱端變暖時(shí)，會將冷端向上推。
另外，請檢查TEC上的電壓紋波可以如何降低珀?duì)柼男?。紋波應(yīng)不超過10%，但建議5%或更低。降低負(fù)載電容的有效串聯(lián)電阻(ESR)可能是最安全的變化。然而，無論發(fā)生什么變化，無論是增加頻率、增加輸出電容還是增大電感，都需要注意防止影響交換機(jī)的效率及其控制穩(wěn)定性。
新設(shè)計(jì)
對于新的高功率設(shè)計(jì)，人們可能想到的第一件事是，是否使用珀?duì)柼K或珀?duì)柼M件。這類模塊本身就是珀?duì)柼磰A在陶瓷襯底和熱端（+端）之間的碲化鉍，并焊接有兩根電線。在這種情況下，是由客戶來設(shè)計(jì)散熱器和散熱接口的。另一方面，組件包含已連接散熱器的珀?duì)柼K。典型的裝置可能包含兩個(gè)散熱器和兩個(gè)風(fēng)扇以及引出至連接端口的接線。散熱器分為不同的種類，例如風(fēng)冷、水冷或乙二醇冷卻以及直連冷卻，而且還可能包含用于連接到機(jī)柜或其他設(shè)備的某種類型的框架?？蛻糁恍铻轱L(fēng)扇連接一個(gè)電源，然后就可以專注于驅(qū)動器設(shè)計(jì)。
無論是哪種方式，無論是從模塊開始還是從組件開始，如果要構(gòu)建高功率TEC，就需要進(jìn)行權(quán)衡和抉擇。例如，對于大致相同的功率，各種珀?duì)柼K（TEC模塊）的電流和電壓可能差異巨大。在應(yīng)用中使用多個(gè)模塊可能會更有利，或者可以選擇多級模塊來增加ΔT。為了驅(qū)動更高功率的模塊，ADI提供了LT8722和新的LT8204全橋功率芯片。接下來，我們來仔細(xì)看看這些問題。
選擇珀?duì)柼K時(shí)首先要意識到的是，它們的電流/電壓權(quán)衡可能差異巨大。例如，就95 W至105 W范圍內(nèi)的可用模塊而言，電阻的變化范圍可以從0.34 Ω到4.4 Ω。此外，27°C下95 W模塊的最大規(guī)格為19 A和7.7 V，而27°C下另一個(gè)105 W模塊的最大規(guī)格則為7.6 A和21.2 V。盡管它們的功率并不完全相同，但關(guān)鍵是電流和電壓之間可能存在權(quán)衡，而這反過來又決定了您對驅(qū)動器的要求。
除此之外，您也可以使用多個(gè)模塊，但是，它們必須進(jìn)行電氣串聯(lián)，因?yàn)樗鼈兊碾娮桦S溫度變化。如此一來，并聯(lián)裝置之間的均流將會是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。當(dāng)然，使用串聯(lián)裝置，壓降會增加，并且會需要更高電壓的驅(qū)動器。然而，電氣串聯(lián)的珀?duì)柼b置將仍具有散熱的并行功能。如果無法獲得更高的電壓，但仍需要兩個(gè)模塊，則每個(gè)模塊都必須由自己的驅(qū)動器驅(qū)動。但是，單個(gè)溫度反饋可同時(shí)用于兩個(gè)模塊。
圖2.空對空TEC組件的簡化圖。
圖3.LT8722應(yīng)用電路。
另一種選擇是使用多級模塊。這些模塊包含由制造商堆疊在一起的一到五個(gè)模塊。換言之，散熱將為串聯(lián)，因此總ΔT增加，可以冷卻到較低的溫度。然而，這并不是一個(gè)全能的方法。請謹(jǐn)記，每個(gè)模塊的熱端都必須將從目標(biāo)吸收的熱量以及自發(fā)熱量散發(fā)出去。因此，下一個(gè)連接模塊的冷端必須要轉(zhuǎn)移來自第一個(gè)裝置的自發(fā)熱量和目標(biāo)熱量，并且該串聯(lián)中的第三個(gè)模塊必須要能夠?qū)碜阅繕?biāo)的熱量以及來自所有三個(gè)裝置的自發(fā)熱量散發(fā)出去。這種額外的溫度能力是以顯著增加散熱為代價(jià)的。多級模塊通?？雌饋硐褚蛔鹱炙?yàn)榫嚯x目標(biāo)最遠(yuǎn)的模塊需要散發(fā)大量熱量，必須更大。
15 V/4 A驅(qū)動器可實(shí)現(xiàn)更高功率
顯然，要提高TEC的功率，通常需要更高的驅(qū)動電壓。LT8722正是如此，其VIN電壓為15 V，其集成FET的額定電流為4 A。該控制器的設(shè)計(jì)考慮了高精度的溫度控制。它使用集成式25位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)從串行外設(shè)接口(SPI)接收信息，以便在TEC上設(shè)置準(zhǔn)確的差分電壓。兩個(gè)額外的集成式9位DAC可設(shè)置正負(fù)輸出限流值。
該架構(gòu)是全橋DC-DC變換器，一側(cè)是脈寬調(diào)制(PWM)降壓功率級，另一側(cè)是線性級，在4 A、15 VIN和3MHz條件下提供92.6%的效率。即使其中一個(gè)輸出為線性輸出，也能保持效率，因?yàn)樵诟唠娏鲿r(shí)，交換機(jī)控制電流，線性驅(qū)動器要么高要么低，導(dǎo)致壓降很小。在電流反向的轉(zhuǎn)換期間，線性輸出將處于其線性區(qū)域，但電流很小。因此，線性驅(qū)動器不會顯著影響效率。利用這種架構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)高效率，而且由于只需要一個(gè)電感，因此尺寸更小。該交換機(jī)還使用Silent Switcher?技術(shù)來盡可能地減少電磁干擾/電磁兼容性(EMI/EMC)輻射。
SPI接口全面管理控制，包括使能、啟動、峰值電流、頻率、差分輸出電壓和限流值。SPIS_ STATUS寄存器提供6個(gè)故障和5個(gè)附加狀態(tài)條件，而AMUX監(jiān)控13個(gè)模擬功能。LT8722是一款低噪聲（僅1側(cè)是交換機(jī)）、小尺寸（僅1個(gè)電感）H橋，其輔助功能已集成到芯片中。參見圖3。
具有外部FET的40 V驅(qū)動器可實(shí)現(xiàn)更高功率
為了獲得額外的冷卻能力，可使用ADI具有外部功率FET的40 VLT8204H橋控制器。這能夠幫助設(shè)計(jì)人員為任何應(yīng)用設(shè)計(jì)電流水平。LT8204是一款多功能驅(qū)動器。它是一款出色的珀?duì)柼?qū)動器，但也可用于各類電感、電容或電阻負(fù)載，例如電機(jī)、電磁閥、電池充電、自動測試設(shè)備電源和加熱系統(tǒng)，即任何需要半橋或全橋驅(qū)動器的應(yīng)用。其控制模式可以是電壓模式或電流模式控制，并且可以控制輸出電壓或輸出電流。控制輸出電流對于驅(qū)動TEC模塊尤為實(shí)用。
該控制器具有SPI接口，完全由微處理器控制。兩個(gè)集成式16位DAC為雙半橋或全橋配置提供來自微處理器的準(zhǔn)確接口。此外，集成式低輸入失調(diào)電流放大器可提供準(zhǔn)確的雙向電流檢測。故障寄存器提供16個(gè)故障指示，可將其回傳至處理器。實(shí)際上，將簡單的H橋控制器轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)確的TEC驅(qū)動器所需的大部分工作已經(jīng)集成到控制器中。參見圖4。
圖4.LT8204應(yīng)用電路。
結(jié)論
無論是需要提高現(xiàn)有TEC的冷卻能力，還是計(jì)劃打造新的更高功率設(shè)計(jì)，其中所涉及的程序都沒那么復(fù)雜。原本的設(shè)計(jì)可能存在的散熱或效率問題都是可以解決的。新設(shè)計(jì)將需要更高功率的珀?duì)柼K、多個(gè)串聯(lián)模塊，或者如果要求更高的ΔT，則需要多級模塊。毫無疑問，驅(qū)動器將需要更高的電壓和電流能力，并且最好是具有內(nèi)置的準(zhǔn)確控溫功能。
參考文獻(xiàn)
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4Jellenie Rodriguez和Mary McCarthy?！痘跓崦綦娮璧臏囟葯z測系統(tǒng)—第2部分：系統(tǒng)優(yōu)化與評估》。《模擬對話》，第56卷第3期，2022年8月。
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