如何使用珀爾帖裝置實現(xiàn)更高功率的熱電冷卻

本文提供了設計更高功率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鍵珀爾帖特性，并且說明了可以如何圍繞這些限制展開設計。部分驅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)有設計實現(xiàn)其預期冷卻能力的問題。

TEC使用珀爾帖模塊來冷卻物體或提供物體的準確溫度控制，可用于多種應用。它們是激光二極管冷卻器、微處理器冷卻、聚合酶鏈反應(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)療應用的理想之選。激光二極管溫度控制等許多應用都使用功率在5 W至15 W范圍內(nèi)的小型低功耗TEC。它們的驅動器可能采用5 V供電軌運行并提供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？我們應該關注什么以及我們有什么選擇？我們從兩個角度來看。第一種情況是，我們已經(jīng)有一個正常工作的TEC，但這還不夠，需要將功率提升10%到20%。第二種情況是，從頭開始構建更高功率的TEC。我們可以從珀爾帖裝置獲得多少冷卻能力？我們應該用什么來驅動它？

在開始之前，讓我們先了解幾個關鍵的珀爾帖概念。

最大吸熱量

珀爾帖模塊的最大吸熱量(Qc)將在數(shù)據(jù)手冊中列出，但它適用于ΔT為零的情況。ΔT是珀爾帖熱端和冷端之間的溫差。當熱端和冷端溫度相同時，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，直到某個點Qc = 0。該點也稱為最大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. 熱吸收量與珀爾帖溫差的關系。

假設我們希望將珀爾帖的熱端保持在+22°C的室溫，而希望將冷端保持在–5°C。珀爾帖的最大電流為9 A，因此我們計劃使用7 A驅動器。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，因此當熱量從珀爾帖流經(jīng)散熱器并進入室內(nèi)環(huán)境時，將會出現(xiàn)溫度梯度。如此一來，珀爾帖的熱端就不可能處于22°C的室溫。假設熱端溫度為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35°C ΔT點，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珀爾帖！

自發(fā)熱

另一個重要的珀爾帖概念是模塊在工作時會產(chǎn)生大量的自熱。自發(fā)熱量可能會是從目標處吸收到的熱量的兩倍。例如，當從目標處吸收到25 W的熱量時，珀爾帖可能會另外產(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。幾項明顯的問題領域包括TEC的熱端溫度、TEC組件接口的熱阻、珀爾帖裝置上的電壓紋波、ΔT以及組件的絕緣。

建議首先檢查熱端的溫度，請參見圖2。請謹記，圖1的一項關鍵要點是珀爾帖冷端和熱端之間的小增量至關重要。隨著溫差的增加，珀爾帖從目標汲取熱量的能力會減弱。

圖2. 空對空TEC組件的簡化圖。

快速了解熱端溫度的一種方法是在TEC接近最大功率時檢查散熱器溫度。只需使用熱電偶，或者將測量結果發(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：設計挑戰(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。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/或風扇。

遺憾的是，上述的快速檢查并沒有告訴我們有關珀爾帖到散熱器接口的任何信息。該接口可能較難觸及，因此通常需要拆卸該裝置。該接口經(jīng)常使用導熱膏，我們想要檢查它以確定是否存在可能干擾熱傳導的氣穴。由于空氣是不良導熱體(0.026 W/(mK))，因此導熱膏的作用是消除氣穴。但不要使用很厚一層，因為在0.2 W/(mK)至0.3 W/(mK)時，導熱膏也不是良好的導體，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，有可能在達到某個點時，增加通過珀爾帖的電流會產(chǎn)生與預期相反的效果，也就是會讓冷端變暖！這是因為珀爾帖可能接近其最大ΔT，并且由于散熱不充分，所以增加電流會使 熱端變暖。當熱端變暖時，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爾帖的效率。紋波應不超過10%，但建議5%或更低。降低負載電容的有效串聯(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的效率及其控制穩(wěn)定性。

新設計

對于新的高功率設計，人們可能想到的第一件事是，是否使用珀爾帖模塊或珀爾帖組件。這類模塊本身就是珀爾帖，即夾在陶瓷襯底和熱端（+端）之間的碲化鉍，并焊接有兩根電線。在這種情況下，是由客戶來設計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爾帖模塊。典型的裝置可能包含兩個散熱器和兩個風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柜或其他設備的某種類型的框架?？蛻糁恍铻轱L扇連接一個電源，然后就可以專注于驅動器設計。

無論是哪種方式，無論是從模塊開始還是從組件開始，如果要構建高功率TEC，就需要進行權衡和抉擇。例如，對于大致相同的功率，各種珀爾帖模塊（TEC模塊）的電流和電壓可能差異巨大。在應用中使用多個模塊可能會更有利，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，我們來仔細看看這些問題。

選擇珀爾帖模塊時首先要意識到的是，它們的電流/電壓權衡可能差異巨大。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，但關鍵是電流和電壓之間可能存在權衡，而這反過來又決定了您對驅動器的要求。

除此之外，您也可以使用多個模塊，但是，它們必須進行電氣串聯(lián)，因為它們的電阻隨溫度變化。如此一來，并聯(lián)裝置之間的均流將會是一項挑戰(zhàn)。當然，使用串聯(lián)裝置，壓降會增加， 并且會需要更高電壓的驅動器。然而，電氣串聯(lián)的珀爾帖裝置將仍具有散熱的并行功能。如果無法獲得更高的電壓，但仍需要兩個模塊，則每個模塊都必須由自己的驅動器驅動。但是， 單個溫度反饋可同時用于兩個模塊。

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，這并不是一個全能的方法。請 謹記，每個模塊的熱端都必須將從目標吸收的熱量以及自發(fā)熱量散發(fā)出去。因此，下一個連接模塊的冷端必須要轉移來自第一個裝置的自發(fā)熱量和目標熱量，并且該串聯(lián)中的第三個模塊 必須要能夠將來自目標的熱量以及來自所有三個裝置的自發(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的。多級模塊通?？雌饋硐褚蛔鹱炙?，因為距離目標最遠的模塊需要散發(fā)大量熱量，必須更大。

15 V/4 A驅動器可實現(xiàn)更高功率

顯然，要提高TEC的功率，通常需要更高的驅動電壓。LT8722正是如此，其VIN電壓為15 V，其集成FET的額定電流為4 A。該控制器的設計考慮了高精度的溫度控制。它使用集成式25位數(shù)模轉換器(DAC)從串行外設接口(SPI)接收信息，以便在TEC上設置準確的差分電壓。兩個額外的集成式9位DAC可設置正負輸出限流值。

該架構是全橋DC-DC變換器，一側是脈寬調制(PWM)降壓功率級，另一側是線性級，在4 A、15 VIN和3 MHz條件下提供92.6%的效率。即使其中一個輸出為線性輸出，也能保持效率，因為在高電流時，交換機控制電流，線性驅動器要么高要么低，導致壓降很小。在電流反向的轉換期間，線性輸出將處于其線性區(qū)域，但電流很小。因此，線性驅動器不會顯著影響效率。利用這種架構，不僅可以實現(xiàn)高效率，而且由于只需要一個電感，因此尺寸更小。該交換機還使用Silent Switcher?技術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個故障和5個附加狀態(tài)條件，而AMUX監(jiān)控13個模擬功能。LT8722是一款低噪聲（僅1側是交換機）、小尺寸（僅1個電感）H橋，其輔助功能已集成到芯片中。參見圖3。

圖3. LT8722應用電路。

具有外部FET的40 V驅動器可實現(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 V LT8204 H橋控制器。這能夠幫助設計人員為任何應用設計電流水平。LT8204是一款多功能驅動器。它是一款出色的珀爾帖驅動器，但也可用于各類電感、電容或電阻負載，例如電機、電磁閥、電池充電、自動測試設備電源和加熱系統(tǒng)，即任何需要半橋或全橋驅動器的應用。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?？刂戚敵鲭娏鲗τ隍寗覶EC模塊尤為實用。

該控制器具有SPI接口，完全由微處理器控制。兩個集成式16位DAC為雙半橋或全橋配置提供來自微處理器的準確接口。此外，集成式低輸入失調電流放大器可提供準確的雙向電流檢測。故障寄存器提供16個故障指示，可將其回傳至處理器。實際上，將簡單的H橋控制器轉變?yōu)闇蚀_的TEC驅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應用電路。

結論

無論是需要提高現(xiàn)有TEC的冷卻能力，還是計劃打造新的更高功率設計，其中所涉及的程序都沒那么復雜。原本的設計可能存在的散熱或效率問題都是可以解決的。新設計將需要更高功 率的珀爾帖模塊、多個串聯(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)置的準確控溫功能。

來源：ADI智庫