作者 Robert Westby
熱電冷卻關鍵 ▶︎ 電源系統管理 LT8722 系列
摘要
本文提供了在設計更高功率 TEC 之前必須瞭解的熱電冷卻器 （TEC） 概念。它解釋了限制其冷卻能力的關鍵 Peltier 特性，並提供了圍繞這些限制進行設計的想法。幾個驅動器示例說明控制更高功率 TEC 所需的條件。此外，還包括可能阻止現有設計實現其預期冷卻能力的問題。
介紹
TEC 使用帕爾貼模組來冷卻物體或對物體進行精確的溫度控制，用於各種應用。它們非常適合半導體鐳射管冷卻器1,2、微處理器冷卻、聚合酶鏈反應 （PCR） 系統以及醫療應用，如斷層掃描、心血管成像、磁共振成像 （MRI）、放射治療等等。許多應用（例如半導體鐳射管溫度控制）使用功率在 5 W 至 15 W 範圍內的小型、低功耗 TEC。它們的驅動器可能採用 5 V 電源軌工作，並提供 1 A 至 3 A 的電流。
但是，如果我們需要更多動力呢？我們該怎麼做呢？我們應該關注什麼，我們有哪些選擇？讓我們從兩個角度來看它。第一種情況是，我們已經有一個可用的 TEC，但它不夠用，它需要 10% 到 20% 的功率。第二種情況是從頭開始構建更高功率的 TEC。我們可以從 Peltier 器件中獲得多少冷卻能力？我們應該用什麼來驅動它？
在開始之前，我們先瞭解一下 Peltier 的幾個關鍵概念。
最大熱吸收
珀爾帖模組的最大吸熱 （Qc） 將在數據表中，但它適用於 Delta T 為零。ΔT 是帕爾貼熱側和冷側之間的溫差。當熱側和冷側處於相同溫度時，Qc 將是數據表中所說的。但是，它將隨著 Delta T 的增加而線性減少，直到在某個時候 Qc = 零。這個點也稱為最大 ΔT，變化很大，但單級模組的典型值可能在 70°C 左右。 有關通用示例，請參見圖 1。
圖 1.整個 Peltier 的吸熱與溫差。
假設我們想將帕爾貼的熱側保持在 +22°C 的室溫，我們希望將冷側保持在 −5°C。 帕爾貼的最大電流為 9 A，因此我們計劃使用 7 A 驅動器。從我們的示例圖中，7 A 時 27°C 的溫差將產生 41 W 的能力。但是，所有介面都具有熱阻，因此當熱量從珀爾貼流經散熱器並進入房間環境時，會出現溫度梯度。因此，帕爾貼的熱面不可能在 22°C 的室溫下。假設熱側為 30°C。 這給我們帶來了 35°C 的冷熱溫差。參考圖 1 並沿著 7 A 線到 35°C 的 ΔT 點表明，即使我們購買了 100 W 的帕爾貼，我們的熱提取能力也將約為 30 W！
自生熱量
另一個重要的珀爾帖概念是，模組在執行其工作時會產生大量的自熱。自生熱量可以是目標吸收熱量的兩倍。例如，在從目標吸收 25 W 的同時，帕爾貼可能會再產生 50 W 的熱量。因此，熱側散熱器必須能夠散發 75 W 的熱量。
改進現有的 TEC 系統
對於第一種情況，即我們有一個現有的 TEC，只需要更多的冷卻能力，我們可以考慮一些事情。一些明顯的問題區域是 TEC 的熱側溫度、TEC 元件介面的熱阻、珀爾帖器件上的電壓紋波、ΔT 和元件的絕緣。
建議先檢查熱側的溫度，見圖 2。請記住，圖 1 的一個關鍵要點是帕爾貼冷側和熱側之間小增量的重要性。隨著溫差的增加，帕爾貼從目標中提取熱量的能力會降低。
圖 2.空對空 TEC 元件的簡化圖。
瞭解熱側溫度的一種快速方法是使用 TEC 以接近最大功率檢查散熱器溫度。只需使用熱電偶，或者如果將測量值發送到微處理器，熱敏電阻就可以很好地工作。請參閱“基於熱敏電阻的溫度感測系統—第1部分：設計挑戰和電路配置”和“基於熱敏電阻的溫度感測系統—第2部分：系統優化和評估”，瞭解兩篇優秀的熱敏電阻文章。3,4如果熱側散熱器的溫度明顯高於室溫，則可能需要更大的散熱器和/或風扇。
不幸的是，上面的快速檢查並沒有告訴我們有關 Peltierto 散熱器介面的任何資訊。訪問該介面可能很困難，因此通常需要拆卸該裝置。導熱膏經常用於此介面，我們想檢查它，以確定是否存在可能干擾熱傳導的氣穴。由於空氣是不良的熱導體 （0.026 W/（mK）），因此導熱膏的目的是消除氣穴。但不要使用厚層，因為導熱膏的功率為0.2 W/（mK） 至0.3 W/（mK），也不是良導體，儘管金屬類型的金屬可能在4 W/（mK） 範圍內。然而，這種漿料仍然比空氣好 10 倍。相比之下，鋁為 200 W/（mK），PCB 銅 ~380 W/（mK），PCB FR4 約為 0.3 W/（mK） 至 0.8 W/（mK），水約為 0.6 W/（mK），玻璃約為 1.0 W/（mK）。
請注意，有可能達到這樣一個點，即增加通過帕爾貼的電流與人們的預期相反，即它使冷側更暖！這是因為帕爾貼可能接近其最大 ΔT，並且由於散熱不足，增加的電流會使熱側更熱。當熱面變暖時，它會將冷面推高。
此外，檢查 TEC 上的電壓紋波作為紋波如何降低帕爾貼的效率。瑞波幣不應超過 10%，但建議使用 5% 或更低。降低負載電容器的有效串聯電阻 （ESR） 可能是最安全的改變。然而，無論變化、頻率增加、輸出電容增加或電感器變大，都需要盡職盡責，以防止影響開關穩壓器的效率及其控制穩定性。
新設計
對於新的高功率設計，人們可能首先考慮的是使用的是 Peltier 模組還是 Peltier 元件。該模組只是珀爾貼本身，碲化鉍夾在陶瓷基板和熱側（+側）之間，上面焊接了兩根電線。在這種情況下，由客戶設計散熱器和熱介面。另一方面，元件由已連接散熱器的 Peltier 模組組成。一個典型的裝置可能由兩個散熱器和兩個風扇以及引出到連接端子的電線組成。散熱器有多種樣式，例如風冷、水冷或乙二醇冷卻以及直接連接冷卻。它還可能包括一個框架，用於將某種類型連接到櫥櫃或其他一些設備。客戶只需為風扇連接電源，然後就可以將注意力集中在驅動器設計上。
無論哪種方式，從模組開始或從組裝開始，如果構建高瓦數的 TEC，則需要權衡和決策。例如，在大致相同的瓦數下，珀爾帖模組（TEC 模組）的電流和電壓可能會有相當大的變化。在應用程式中使用多個模組可能是有利的，或者可以選擇多級模組來增加 Delta T。為了驅動更高功率的模組，ADI 提供了 LT8722 。讓我們仔細看看這些問題。
選擇珀爾帖模組時首先要意識到的是，它們的電流/電壓權衡可能會有相當大的變化。例如，當查看 95 W 至 105 W 範圍內的可用模組時，可以發現電阻從 0.34 Ω 到 4.4 Ω 不等。此外，一個 95 W 的 27°C 模組的最大規格為 19 A 和 7.7 V，而另一個 105 W 的 27°C 模組的最大規格為 7.6 A 和 21.2 V。即使它們不完全相同的瓦數，關鍵是電流和電壓之間可以進行權衡，這反過來又決定了您的驅動程式要求。
也可以使用多個模組，但是，它們必須串聯電氣連接，因為它們的電阻會隨溫度變化。因此，並聯單元之間的電流共用將是一個挑戰。當然，對於串聯連接單元，電壓降會增加，並且需要更高電壓的驅動器。然而，串聯電氣連接的 Peltier 單元仍將具有並聯傳熱功能。如果沒有更高的電壓，但仍需要兩個模組，則每個模組都必須由自己的驅動器驅動。但是，單個溫度反饋可以同時用於兩者。
另一種選擇是使用多階段模組。這些模組由製造商堆疊在一起的 1 到 5 個模組組成。換句話說，傳熱將是串聯的，因此總 ΔT 會增加，從而可以冷卻到更低的溫度。然而，這並不是靈丹妙藥。請記住，每個模組的熱側必須散發從目標上帶走的熱量加上其自生的熱量。因此，下一個連接的模組的冷側必須同時傳遞來自第一個單元的自生熱量和目標熱量，並且該系列中的第三個模組必須能夠散發來自目標的熱量以及來自所有三個單元的自生熱量。這種額外的溫度能力是以更多的散熱為代價的。多級模組通常看起來像一個金字塔，因為離目標最遠的模組有大量的熱量要傳遞，並且必須更大。
15 V/4 A 驅動器可提供更大功率
很明顯，為了提高 TEC 的功率，通常需要更高的驅動電壓。LT8722 就是這樣做的，其 VIN 電壓為 15 V，其集成的 FETS 額定值為 4 A。該調節器在設計時考慮了高精度的溫度控制。它使用整合的 25 位數模轉換器 （DAC） 從串行外設介面 （SPI） 接收資訊，以便可以在 TEC 上設置精確的差分電壓。兩個額外的集成9位 DAC 設置正和負輸出電流限值。
該架構是一個全橋DC-DC轉換器，一側是脈寬數據 （PWM） 降壓功率級，另一側是線性級，在4 A、15 VIN和3 MHz下提供92.6%的效率。即使其中一個輸出作為線性輸出，也能保持效率，因為在大電流下，開關控制電流，線性驅動器將處於高電平或低電平，從而導致很小的電壓降。在反轉電流的轉換期間，線性輸出將處於其線性區域，但電流很小。因此，線性驅動器不會顯著影響效率。採用這種架構，不僅可以實現高效率，而且由於只需要一個電感器，因此佔用空間更小。該切換器還使用 Silent Switcher® 技術來最大限度地減少電磁干擾/電磁相容性 （EMI/EMC） 輻射。
SPI 介面管理控制的所有方面，包括啟用、啟動、峰值電流、頻率、差分輸出電壓和電流限制。SPIS_STATUS寄存器提供6個故障和5個附加狀態條件，而AMUX則監控13個類比功能。LT8722 是一款低雜訊 （只有 1 側是開關器）、小尺寸 （僅 1 個電感器） H 橋，其輔助功能已集成到晶元中。參見圖 3。
圖 3.LT8722 應用電路。
結論
無論是需要研究現有的 TEC 以提高其冷卻能力，還是計劃新的、更高功率的設計，這個過程都不是那麼複雜。較舊的設計可能存在可以修復的熱或效率問題。新設計將需要更高功率的 Peltier 模組、多個串聯的模組，或者如果需要更高的 ΔT，則可能需要多級模組。毫無疑問，驅動器需要更高的電壓和電流能力，並且最好具有內置功能來精確控制溫度。
引用
1 “ 使用 DS4830A 光學微控制器的熱電冷卻器控制。Analog Devices， Inc.，2015 年 2 月。
2 Yajung Tu. “電信系統中的 TEC 控制器應用 ”。Analog Devices Inc.，2016 年 2 月。
3耶勒妮·羅德裡格斯 （Jellenie Rodriguez） 和瑪麗·麥卡錫 （Mary McCarthy）。“ 基於熱敏電阻的溫度感測系統 — 第 1 部分：設計挑戰和電路配置。”模擬對話，第 56 卷，第 3 期，2022 年 7 月。
4耶勒妮·羅德裡格斯 （Jellenie Rodriguez） 和瑪麗·麥卡錫 （Mary McCarthy）。“ 基於熱敏電阻的溫度感測系統 — 第 2 部分：系統優化和評估。”模擬對話，第 56 卷，第 3 期，2022 年 8 月。
關於作者
羅伯特·韋斯特比
Robert Westby是ADI公司的電源系統工程師。他於 1984 年畢業於賓夕法尼亞州立大學，獲得工程科學學士學位，曾在 GE Semiconductor、Intersil 和 Semtech 擔任電源測試開發工程師。2014年，他加入了凌力爾特，該公司現已成為 Analog Devices 的一部分。
安馳科技 FAE support. Please e-mail
關注對手已經在做的新技術、產品與安馳抽獎活動
► Marketing.anstek@macnica.com
► 或加 安馳科技 LINE 洽詢
► 追蹤 安馳科技 Facebook
► 請加入 安馳YouTube頻道
► 立即填寫料號 申請樣品
