如何在熱管理系統(tǒng)中集成珀?duì)柼K

在某些應(yīng)用中，工程師需要將組件冷卻到恒定溫度或低于環(huán)境溫度的工作溫度。熱電模塊，又稱(chēng)珀?duì)柼K，可以實(shí)現(xiàn)小巧、輕質(zhì)且節(jié)能的熱管理解決方案；但是為了組建最優(yōu)化的熱電系統(tǒng)，還需考慮適當(dāng)集成某些器件并改良器件供電。

珀?duì)柼K基礎(chǔ)知識(shí)

熱電模塊運(yùn)用的珀?duì)柼?yīng)以法國(guó)科學(xué)家 Jean Peltier 命名。他認(rèn)為電流通過(guò)不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體連接處產(chǎn)生溫差。新型的珀?duì)柼K器件通常包括兩塊外部陶瓷板和內(nèi)部導(dǎo)電層，兩者由 P-N 半導(dǎo)體芯片分隔。這些 P-N 芯片通過(guò)電氣連接串聯(lián)在一起，但采用并聯(lián)式熱力學(xué)排列。

對(duì)珀?duì)柼K施加直流電壓后，P 型和 N 型半導(dǎo)體會(huì)吸收一個(gè)表面的熱量，并將其釋放到另一側(cè)，從而使發(fā)生吸熱的一側(cè)降溫，而接受熱量的一側(cè)升溫。

請(qǐng)注意，珀?duì)柼?yīng)可用于加熱或冷卻物體。盡管本文著重介紹冷卻應(yīng)用，但加熱應(yīng)用的設(shè)計(jì)考慮因素也大同小異，只是施加電壓的極性、電流方向和通過(guò)模塊的熱流方向正好相反。

珀?duì)柼K系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖 1：珀?duì)柼K將熱量從熱源傳遞到散熱器。（圖片來(lái)源：CUI, Inc.）

將通電的珀?duì)柼K置于 IC 表面等熱源與散熱器之間，可使 IC 有效冷卻，如圖 1 所示。珀?duì)柼K的低溫側(cè)連接熱源，而高溫側(cè)連接散熱器。請(qǐng)注意，模塊只是將熱量從低溫側(cè)傳遞到高溫側(cè)，但不吸收熱量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采用恒定速率將熱量提取到散熱器，或者通過(guò)控制所施加的電源，確保器件接觸的表面保持恒定溫度。如有需要，甚至可將該溫度設(shè)為低于環(huán)境溫度。

圖 2 顯示用于冷卻 IC 等組件的系統(tǒng)基本元件。珀?duì)柼K從待冷卻物體中提取熱量，而散熱器不僅要耗散 IC 的熱量，還要耗散珀?duì)柼K中由電流流動(dòng)所產(chǎn)生的熱量。連接 IC 上溫度傳感器的外部反饋回路可控制珀?duì)柼K的電源，從而保持物體的溫度恒定。

圖 2：帶溫度控制反饋回路的珀?duì)柼K系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：CUI, Inc.）

選擇珀?duì)柼K時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)用的溫度要求，包括模塊所需傳遞的熱量、模塊的最高溫度以及高溫側(cè)的最高溫度。選擇合適的模塊后，即可確定電源要求。

珀?duì)柼K是由受控電流源供電的電流驅(qū)動(dòng)器件；雖然也可使用電壓源，但最好使用電流源。如果模塊旨在連續(xù)提供最大冷卻效果，則可施加恒定電壓（圖 3）。在這種情況下，可以直接在規(guī)格書(shū)的特性曲線(xiàn)圖中讀取給定冷卻要求的負(fù)載電流和輸入電壓。CUI 的文章“選擇并使用高級(jí)珀?duì)柼麩犭娎鋮s模塊”中作了詳細(xì)介紹。

圖 3：由電壓源供電的簡(jiǎn)單珀?duì)柼到y(tǒng)。（圖片來(lái)源：CUI, Inc.）

另一方面，如果熱負(fù)荷和/或環(huán)境溫度不斷變化，卻要求模塊使組件保持恒定溫度，則需要接入溫度傳感器和反饋回路，如圖 2 所示。

采用較低的環(huán)路帶寬可實(shí)現(xiàn)反饋的靈活性。溫度傳感器可采用熱電偶、固態(tài)溫度傳感器或紅外傳感器，而饋送至電源的數(shù)據(jù)用于調(diào)節(jié)所施加的電壓。如果電源調(diào)節(jié)范圍不夠?qū)?，則可以使用外部 PWM 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。建議在 PWM 輸出端接入濾波器，使紋波保持在 5% 以下（圖 4），從而確保模塊的性能系數(shù) (COP) 較高，并最大限度地減少對(duì)附近元器件的干擾。發(fā)燒友公眾號(hào)回復(fù)資料可以免費(fèi)獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

圖 4：用于恒溫控制的珀?duì)柼到y(tǒng)。（圖片來(lái)源：CUI, Inc.）

除了從待冷卻組件提取的熱量外，由于電流流動(dòng)，珀?duì)柼K內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生熱量。如果因自熱現(xiàn)象導(dǎo)致模塊的 COP 低于預(yù)期值，那么自熱可能會(huì)是一個(gè)問(wèn)題；但如果自熱產(chǎn)生的熱量超過(guò)模塊的傳熱能力，那就成為必須解決的問(wèn)題。

因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這兩個(gè)熱源，以便選擇合適的模塊和散熱器，確定其工作電壓和電流的要求。只要組件選型得當(dāng)，珀?duì)柼K系統(tǒng)就可以提供出色的解決方案，讓冷卻的組件實(shí)現(xiàn)所需的熱傳遞或目標(biāo)工作溫度。

總結(jié)

珀?duì)柼K可為電子溫度控制提供極為有效的基礎(chǔ)。該模塊小巧、輕質(zhì)，且以高 COP 工作時(shí)效率高，還可使用電流源或電壓源進(jìn)行控制。除模塊外，只需少量標(biāo)準(zhǔn)元器件即可構(gòu)建有效的溫度控制解決方案，將器件工作溫度保持在環(huán)境溫度或低于環(huán)境溫度。了解這些器件的使用方法是解決各種項(xiàng)目問(wèn)題的寶貴技能。CUI 的珀?duì)柼K具有多種性能等級(jí)和尺寸，為設(shè)計(jì)人員提供多種選擇以用于下一個(gè)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。