如何使用珀爾帖裝置實(shí)現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(guān)鍵珀爾帖特性，并且說(shuō)明了可以如何圍繞這些限制展開(kāi)設計。部分驅動(dòng)器示例說(shuō)明了控制更高功率TEC所需的條件。另外還包括可能阻礙現有設計實(shí)現其預期冷卻能力的問(wèn)題。

TEC使用珀爾帖模塊來(lái)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)系統以及斷層掃描、心血管成像、磁共振成像(MRI)、放射治療等醫療應用的理想之選。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范圍內的小型低功耗TEC。它們的驅動(dòng)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(guān)注什么以及我們有什么選擇？我們從兩個(gè)角度來(lái)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(kāi)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(lái)驅動(dòng)它？

在開(kāi)始之前，讓我們先了解幾個(gè)關(guān)鍵的珀爾帖概念。

最大吸熱量

珀爾帖模塊的最大吸熱量(Qc)將在數據手冊中列出，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(shí)，Qc將如數據手冊中所述。然而，它會(huì )隨 著(zhù)ΔT的增加呈線(xiàn)性減小，直到某個(gè)點(diǎn)Qc = 0。該點(diǎn)也稱(chēng)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(jiàn)圖1中的一般示例。

圖1. 熱吸收量與珀爾帖溫差的關(guān)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(dòng)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(jìn)入室內環(huán)境時(shí)，將會(huì )出現溫度梯度。如此一來(lái)，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(zhù)7 A線(xiàn) 到達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(mǎi)了100 W珀爾帖！

自發(fā)熱

另一個(gè)重要的珀爾帖概念是模塊在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的自熱。自發(fā)熱量可能會(huì )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(shí)，珀爾帖可能會(huì )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(jìn)現有TEC系統

在第一種情況下，我們有現成的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(wèn)題。幾項明顯的問(wèn)題領(lǐng)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(jiàn)圖2。請謹記，圖1的一項關(guān)鍵要點(diǎn)是珀爾帖冷端和熱端之間的小增量至關(guān)重要。隨著(zhù)溫差的增加，珀爾帖從目標汲取熱量的能力會(huì )減弱。

圖2. 空對空TEC組件的簡(jiǎn)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(shí)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(huì )有效工作。請參見(jiàn)《基于熱敏電阻的溫度檢測系統—第1部分：設計挑戰和電路配置》和《基于熱敏電阻的溫度檢測系統—第2部分：系統優(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(fēng)扇。

遺憾的是，上述的快速檢查并沒(méi)有告訴我們有關(guān)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(shí)，導熱膏也不是良好的導體，盡管金屬類(lèi)型可能在4 W/(mK)范圍內。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(gè)點(diǎn)時(shí)，增加通過(guò)珀爾帖的電流會(huì )產(chǎn)生與預期相反的效果，也就是會(huì )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(huì )使 熱端變暖。當熱端變暖時(shí)，會(huì )將冷端向上推。

另外，請檢查T(mén)EC上的電壓紋波可以如何降低珀爾帖的效率。紋波應不超過(guò)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(wú)論發(fā)生什么變化，無(wú)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(lèi)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(xiàn)。在這種情況下，是由客戶(hù)來(lái)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(gè)散熱器和兩個(gè)風(fēng)扇以及引出至連接端口的接線(xiàn)。散熱器分為不同的種類(lèi)，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柜或其他設備的某種類(lèi)型的框架?？蛻?hù)只需為風(fēng)扇連接一個(gè)電源，然后就可以專(zhuān)注于驅動(dòng)器設計。

無(wú)論是哪種方式，無(wú)論是從模塊開(kāi)始還是從組件開(kāi)始，如果要構建高功率TEC，就需要進(jìn)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(gè)模塊可能會(huì )更有利，或者可以選擇多級模塊來(lái)增加ΔT。為了驅動(dòng)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(lái)，我們來(lái)仔細看看這些問(wèn)題。

選擇珀爾帖模塊時(shí)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模塊的最大規格為19 A和7.7 V，而27°C下另一個(gè)105 W模塊的最大規格則為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衡，而這反過(guò)來(lái)又決定了您對驅動(dòng)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)，因為它們的電阻隨溫度變化。如此一來(lái)，并聯(lián)裝置之間的均流將會(huì )是一項挑戰。當然，使用串聯(lián)裝置，壓降會(huì )增加， 并且會(huì )需要更高電壓的驅動(dòng)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(wú)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動(dòng)器驅動(dòng)。但是， 單個(gè)溫度反饋可同時(shí)用于兩個(gè)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(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 謹記，每個(gè)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(gè)連接模塊的冷端必須要轉移來(lái)自第一個(gè)裝置的自發(fā)熱量和目標熱量，并且該串聯(lián)中的第三個(gè)模塊 必須要能夠將來(lái)自目標的熱量以及來(lái)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(zhù)增加散熱為代價(jià)的。多級模塊通?？雌饋?lái)像一座金字塔，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(dòng)器可實(shí)現更高功率

顯然，要提高TEC的功率，通常需要更高的驅動(dòng)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(gè)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(xiàn)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(gè)輸出為線(xiàn)性輸出，也能保持效率，因為在高電流時(shí)，交換機控制電流，線(xiàn)性驅動(dòng)器要么高要么低，導致壓降很小。在電流反向的轉換期間，線(xiàn)性輸出將處于其線(xiàn)性區域，但電流很小。因此，線(xiàn)性驅動(dòng)器不會(huì )顯著(zhù)影響效率。利用這種架構，不僅可以實(shí)現高效率，而且由于只需要一個(gè)電感，因此尺寸更小。該交換機還使用Silent Switcher?技術(shù)來(lái)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(dòng)、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監控13個(gè)模擬功能。LT8722是一款低噪聲（僅1側是交換機）、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(jiàn)圖3。

圖3. LT8722應用電路。

具有外部FET的40 V驅動(dòng)器可實(shí)現更高功率

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(dòng)器。它是一款出色的珀爾帖驅動(dòng)器，但也可用于各類(lèi)電感、電容或電阻負載，例如電機、電磁閥、電池充電、自動(dòng)測試設備電源和加熱系統，即任何需要半橋或全橋驅動(dòng)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?dòng)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(lái)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(gè)故障指示，可將其回傳至處理器。實(shí)際上，將簡(jiǎn)單的H橋控制器轉變?yōu)闇蚀_的TEC驅動(dòng)器所需的大部分工作已經(jīng)集成到控制器中。參見(jiàn)圖4。

圖4. LT8204應用電路。

結論

無(wú)論是需要提高現有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(méi)那么復雜。原本的設計可能存在的散熱或效率問(wèn)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(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(wú)疑問(wèn)，驅動(dòng)器將需要更高的電壓和電流能力，并且最好是具有內置的準確控溫功能。

來(lái)源：ADI智庫