HFAN-08.2.0： 如何控制和補(bǔ)償熱電冷卻器 （TEC）

熱電冷卻器 （TEC） 可用于許多需要精確溫度控制的應(yīng)用中。溫度關(guān)鍵組件與TEC和溫度監(jiān)測器集成到單個熱工程模塊中。TEC還可以通過反轉(zhuǎn)電流來加熱。TEC的小尺寸允許對單個組件進(jìn)行精確的熱控制，例如光纖激光驅(qū)動器，精密基準(zhǔn)電壓源或任何溫度關(guān)鍵設(shè)備。

本應(yīng)用筆記簡要討論了TEC設(shè)計的起源和歷史，然后概述了TEC的基本操作。TEC控制和補(bǔ)償問題隨之而來。本文最后對優(yōu)化TEC進(jìn)行了詳細(xì)的分析和方程式。

介紹

1821年，托馬斯·塞貝克（Thomas Seebeck）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個不同材料的導(dǎo)體連接在一個回路中并且兩個結(jié)之間存在溫差時，電流流過回路。十二年后，J. C. Peltier展示了相反的效果：通過切割回路中的一根導(dǎo)體并迫使電流通過回路，在兩個結(jié)之間觀察到溫差。由于當(dāng)時可用的材料，所涉及的大電流產(chǎn)生的電阻熱主導(dǎo)了珀爾帖效應(yīng)。隨著最近材料的進(jìn)步，這些結(jié)點(diǎn)已變得更加實(shí)用，可用作熱電熱泵，其功能與碳氟化合物基蒸汽壓縮制冷相同。雖然仍然不如蒸汽循環(huán)裝置有效，但這些液絡(luò)部沒有運(yùn)動部件或工作流體，并且尺寸可能非常小。

基本操作理論

由于珀爾帖效應(yīng)可以通過電力線性控制，因此熱電冷卻器 （TEC） 已在許多涉及精確溫度控制的應(yīng)用中被發(fā)現(xiàn)。溫度關(guān)鍵組件、TEC 和溫度監(jiān)控器集成在單個熱工程模塊中。TEC控制需要能夠提供正負(fù)電壓的可逆電源。為了通過單電源實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以使用H橋電路。雖然線性電源噪聲低，但其效率低下需要大型元件和額外的隔熱層，以防止穩(wěn)壓器廢熱加載冷卻器。或者，兩個具有互補(bǔ)驅(qū)動器的同步降壓電路可提供更高效率的電源，可從單個正電源提供雙極性電源。兩個輸出電壓的強(qiáng)制脈寬調(diào)制 （PWM） 控制允許電流源出和吸收。在電流吸收期間，電力被回收并發(fā)送回電源線。

TEC的小尺寸允許對單個組件進(jìn)行精確的熱控制，例如光纖激光驅(qū)動器，精密基準(zhǔn)電壓源或任何其他溫度關(guān)鍵設(shè)備。TEC還可以通過反轉(zhuǎn)電流來加熱。

TEC 功率控制

MAX1968和MAX1978是高度集成的H橋PWM開關(guān)模式驅(qū)動器，設(shè)計用于帕爾貼TEC模塊。

MAX1968在28引腳耐熱增強(qiáng)型TSSOP-EP封裝上集成了四個電源開關(guān)和PWM控制，是控制TEC的一種高性價比方案。MAX48采用1978引腳TQFN-EP封裝，包括MAX1968的所有電路以及構(gòu)建熱反饋環(huán)路所需的放大器。MAX8520和MAX8521采用20引腳TQFN （MAX8520）或36焊球WLP （MAX8521）封裝，具有最小的PCB占位面積。MAX1978底部的裸露焊盤允許其封裝耗散高達(dá)3.2W，并采用單3V電源提供雙極性±3V/5A。開關(guān)頻率可選擇在 500kHz 或 1MHz 頻率下進(jìn)行。獨(dú)立的正負(fù)輸出電流限值以及電壓限值集成在芯片上，并可使用外部電阻器進(jìn)行設(shè)置。模擬控制信號精確設(shè)置 TEC 電流，與 TEC 電壓無關(guān)。高度集成的MAX1978為TEC的驅(qū)動和控制提供了高性價比的解決方案，控制環(huán)路僅需無源外部元件。

使用控制回路調(diào)節(jié)TEC溫度

為了進(jìn)行精確的溫度控制，TEC模塊內(nèi)部或附近的本地監(jiān)視器發(fā)送溫度信息，并與參考進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生錯誤信號。該誤差信號被放大并發(fā)送到TEC公司。然后，TEC改變本地監(jiān)視器溫度，從而完成循環(huán)。與任何控制環(huán)路一樣，穩(wěn)態(tài)精度與直流環(huán)路增益有關(guān)。鑒于熱質(zhì)量大，溫度監(jiān)測器可能需要數(shù)十秒才能響應(yīng)TEC變化。因此，TEC和監(jiān)控環(huán)路的補(bǔ)償可能需要慢速積分器以避免振蕩和過沖。由于積分器最終需要較大的時間常數(shù)，因此很難找到具有足夠低漏電的高值電容器來實(shí)現(xiàn)高直流增益。因此，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性，必須選擇最小尺寸的積分器電容器。

要開始補(bǔ)償熱回路，必須了解TEC模塊的熱響應(yīng)。TEC模塊的低頻響應(yīng)可以通過使用MAX1968或MAX1978作為TEC的驅(qū)動器、模塊中的內(nèi)部熱敏電阻以及亞赫茲容量的網(wǎng)絡(luò)分析儀（如安捷倫? HP3562A動態(tài)信號分析儀）來測量。大多數(shù)半導(dǎo)體激光二極管TEC模塊的行為大致類似于兩極系統(tǒng)。第一極從20mHz開始，第二極從1Hz開始。如果沒有網(wǎng)絡(luò)分析儀，請測量直流增益，并假設(shè) 20mHz 和 1Hz 極點(diǎn)近似 TEC 響應(yīng)。雖然這個模型很粗糙，但它有助于我們理解閉環(huán)的局限性。由于模塊具有20mHz的慢速極點(diǎn)，因此TEC模塊預(yù)計會有90度的相移，最高可達(dá)1Hz。此后，第二極產(chǎn)生潛在的振蕩條件。

冷卻模式下的TEC響應(yīng)如圖1中的實(shí)線以圖形方式顯示。由于在相同的輸入電流下，TEC的加熱能力是冷卻的四倍，因此該響應(yīng)可能相差6dB。散熱、環(huán)境溫度和模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量等其他因素也會改變響應(yīng)。來自不同制造商的模塊也可能有不同的響應(yīng)。如果使用沒有內(nèi)部熱敏電阻的TEC模塊，請分別表征所選TEC和熱敏電阻的頻率響應(yīng)。

圖1.TEC 頻率響應(yīng)。

補(bǔ)償循環(huán)

圖2所示的比例積分微分（PID）控制器是一個很好的起點(diǎn)。從這里，可以進(jìn)行調(diào)整以優(yōu)化TEC響應(yīng)。為了獲得最高的直流增益，需要一個積分器。圖2中的積分器由C2形成，并增加了第三個極點(diǎn)，如果沒有R3（圖2），則無法穩(wěn)定。R3在單位增益交越之前將零插入積分器;理想情況下，這應(yīng)該發(fā)生在第一極20mHz。它可以推到70mHz，沒有任何穩(wěn)定性問題。盡管此過程會產(chǎn)生從20mHz到70mHz的二階響應(yīng)，但相位永遠(yuǎn)不會達(dá)到振蕩條件（180度）。如圖 1 中的紅色虛線所示。

圖2.PID控制器電路。

圖1中由C1、R2和R2組成的差分網(wǎng)絡(luò)增加了另一個零，以抵消TEC模塊中的第二個1Hz極點(diǎn)。該零點(diǎn)提供了額外的相位裕量，以更高的頻率閉合環(huán)路。圖 1 中用藍(lán)色虛線說明了這一點(diǎn)。雖然不需要與高環(huán)路帶寬相關(guān)的快速響應(yīng)，但需要高直流增益和小電容。補(bǔ)償器使用C3在30Hz時滾降增益，從而減少向環(huán)路注入的噪聲。在TEC應(yīng)用中，該電路允許環(huán)路在2Hz下交越，并在很寬的范圍內(nèi)提供良好的相位裕量。

圖3中的TEC熱環(huán)路是2Hz分頻器的補(bǔ)償示例。選擇盡可能高的R3允許最小的積分器電容C2。然而，這種方法是以PID階段更高的增益為代價的。因?yàn)槲覀儽仨氃?70mHz 處插入一個零，所以我們使用以下關(guān)系：

fZ1 = 1/(2π × C2 × R3)

用 f跟1 = 70mHz并選擇R3 = 243kΩ，得出C2 = 9.36μF。我們選擇10μF作為設(shè)計?，F(xiàn)在我們選擇 R1 = 10kΩ。這允許前端放大器（U2）獲得足夠的增益，以減少反射積分器（U1）誤差，同時保持合理的電容尺寸。

圖3.熱回路框圖。

現(xiàn)在我們必須插入一個零點(diǎn)以消除 TEC 的第二個極點(diǎn)在 1Hz。由于我們需要良好的相位裕量，因此我們將零點(diǎn)插入所需的交越頻率除以至少5或0.4Hz。這在交越頻率下提供了更好的相位裕量。然后，我們將R1產(chǎn)生的極點(diǎn)放置在至少比交越頻率高5倍或10Hz的位置來終止零點(diǎn)。這限制了環(huán)路交叉后積分器部分的增益。

因此，因?yàn)椋?/p>

fZ2 = 1/(2π × C1 × R2)

并帶有f跟2 = 0.4Hz，R2 = 510kΩ，因此C1 = 0.78μF。我們選擇1μF作為設(shè)計。為了找到 R1，我們使用關(guān)系：

f3 = 1/（2pi × C1 × R1）

當(dāng)f3 = 10Hz和C1 = 1μF時，我們發(fā)現(xiàn)R1 = 15.9kΩ。我們使用10kΩ來提供更好的相位裕量。 然后，我們必須將滾降頻率設(shè)置為 30Hz。當(dāng)R3 = 243kΩ時，fC= 30Hz，并且：

fC= 1/（2π × C3 × R3）

我們發(fā)現(xiàn)C3 = 0.022μF。

現(xiàn)在TEC響應(yīng)已經(jīng)優(yōu)化，系統(tǒng)增益必須針對2Hz的交越進(jìn)行調(diào)整。從圖1中可以看出，在2Hz時，未補(bǔ)償傳遞函數(shù)（圖1中的實(shí)線）具有-30dB增益。如果我們想要2Hz單位增益交越，我們必須在30Hz時提供+2dB增益。由于U1及其組件的增益為2Hz，因此我們必須從所需的總系統(tǒng)增益中減去該增益，以求出前端增益。R3和C1定義了U1的增益。在2Hz時，R1、R2、C2和C3可以忽略不計。C1在2Hz時的無功阻抗可以使用以下公式找到：

XC= -j/（2π × fC× C1

C1 = 1μF 和 f 時C= 2Hz，因此：

XC= -j79.6kΩ

U1的增益G的大小為：

G = |R3/XC|

R3 = 243kΩ 和 X 時C= -j79.6kΩ， G = 3.05 或 9.7dB.在不忽略R1、R2、C2和C3的情況下，對該增益進(jìn)行全面分析，得出G = 3.11或9.8dB，從而驗(yàn)證了我們的假設(shè)。我們現(xiàn)在必須在前端提供20.3dB，以實(shí)現(xiàn)2Hz的單位增益交叉。

前端增益部分有兩個功能：減少U1中積分器的誤差，并對熱敏電阻的溫度信息進(jìn)行采樣。R4、R5和U2設(shè)置的直流增益（圖3）需要足夠高，以確保誤差信號不會被PID補(bǔ)償部分覆蓋。當(dāng)R4 = 10kΩ和R5 = 100kΩ時，前端增益為11或20.8dB，足以超過PID補(bǔ)償部分的9.7dB。來自熱敏電阻的溫度讀數(shù)作為誤差信號傳遞到PID控制部分。誤差信號表示實(shí)際溫度（THERM）和所需溫度（設(shè)定點(diǎn)IN）之間的差異。U2輸出端的誤差信號可以計算為：

其中1.5V是通過10kΩ電阻連接到THERM的基準(zhǔn)電壓源的值;RT是熱敏電阻的電阻;和 V設(shè)置是設(shè)定點(diǎn) IN 處的電壓。

使用補(bǔ)償熱回路調(diào)節(jié)TEC溫度

整個環(huán)路和補(bǔ)償值的示例如圖3所示。通過知道電阻值 RT將在給定溫度下，V設(shè)置可以選擇將熱敏電阻的溫度自動調(diào)節(jié)到該值。此示例使用跳線可選的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）或電位計來控制V設(shè)置.通過將誤差信號發(fā)送到PID補(bǔ)償部分來調(diào)節(jié)溫度，PID補(bǔ)償部分控制TEC驅(qū)動器的模擬輸入，直到誤差信號接近0。由于PID補(bǔ)償器提供了良好的相位裕量，因此該電路對加熱或冷卻模式下的TEC增益變化具有很強(qiáng)的耐受性。

選擇組件

為該電路選擇元件將取決于應(yīng)用所需的特定要求。MAX1978提供片內(nèi)放大器，足以滿足這種設(shè)計拓?fù)洹Ｈ绻褂肕AX1968、MAX8520或MAX8521，那么像MAX4477ASA這樣具有低失調(diào)電壓漂移的運(yùn)算放大器是U2和U3的理想選擇。由于熱敏電阻處的信號電平較低，因此應(yīng)使用屏蔽線。U1應(yīng)具有超低漏電流，以避免高電路阻抗產(chǎn)生的直流偏移。漏電流為4475pA （最大值）的MAX150ASA運(yùn)算放大器是一個不錯的選擇。U1周圍的元件，特別是C2和C3，應(yīng)選擇具有最高漏電阻的元件;C2需要盡可能低的熱漂移。聚苯乙烯薄膜電容器是最佳選擇，但它們非常大且昂貴。陶瓷電容器是一個不錯的選擇，但較大的值可能會泄漏到足以導(dǎo)致增益誤差。請勿使用電解電容器或鉭電容器。用 PC 板走線構(gòu)成的保護(hù)環(huán)應(yīng)連接到 U1 的同相引腳周圍和下方，并在其組件上。保護(hù)環(huán)攔截任何可能在求和結(jié)中引起錯誤的雜散電流。助焊劑、濕氣和玻璃纖維 PC 板會導(dǎo)致漏電流，保護(hù)環(huán)可以改善這些影響。對電路板及其組件進(jìn)行保形涂層有助于防止污染物干擾電路性能。

測試TEC控制回路和模塊

可以使用單位步長函數(shù)測試循環(huán)。溫度設(shè)定點(diǎn)的簡單變化應(yīng)該會在熱敏電阻中引起響應(yīng)，該響應(yīng)收斂于新的溫度設(shè)定點(diǎn)，而過沖很小。在階躍響應(yīng)中觀察到的振鈴表明交越頻率處的相位裕量較差。通過記錄振鈴頻率和振鈴數(shù)，可以調(diào)整直流增益（交越頻率）或補(bǔ)償電路（相位裕量），直到滿足可接受的響應(yīng)。

通過使用這種方法并深入了解TEC行為，可以在沒有網(wǎng)絡(luò)分析儀的情況下補(bǔ)償TEC環(huán)路。即使借助網(wǎng)絡(luò)分析儀，也應(yīng)在加熱和冷卻模式下以單位步進(jìn)響應(yīng)檢查系統(tǒng)。在冷卻模式下加熱TEC和在加熱模式下冷卻是最壞的情況。環(huán)路中的直流誤差可以使用輸入阻抗為 6GΩ 的 1 位儀表進(jìn)行測量，例如用于測量 SET POINT IN 和 THERM 之間差值的 Agilent 34401A（圖 3）。該誤差應(yīng)在100μV范圍內(nèi)。可以使用泰克? ADA400A 等差分放大器和示波器在同一點(diǎn)測量噪聲。帶寬為100Hz時，該誤差應(yīng)低于20μVP-P.

結(jié)論

精密熱控制應(yīng)用將繼續(xù)使用TEC作為解決方案。TEC性能有望繼續(xù)提高，使其成為越來越多的溫度控制應(yīng)用的更具吸引力的解決方案。TEC甚至可以取代用于加熱和冷卻家庭的蒸汽循環(huán)制冷設(shè)備。TEC驅(qū)動器和熱控制回路才剛剛開始找到實(shí)際應(yīng)用。

審核編輯：郭婷