【導讀】TEC使用珀爾帖模塊來冷卻物體或提供物體的準確溫度控製，可用於多種應用。它們是激光二極管冷卻器、微處理器冷卻

、聚合酶鏈反應(PCR)係統以及斷層掃描、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。激光二極管溫度控製等許多應用都使用功率在5 W至15 W範圍內的小型低功耗TEC。它們的驅動器可能采用5 V供電軌運行並提供1 A至3 A的 電流。

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gai念nian，解jie釋shi了le限xian製zhi熱re電dian冷leng卻que器qi冷leng卻que能neng力li的de關guan鍵jian珀po爾er帖tie特te性xing，並bing且qie說shuo明ming了le可ke以yi如ru何he圍wei繞rao這zhe些xie限xian製zhi展zhan開kai設she計ji。部bu分fen驅qu動dong器qi示shi例li說shuo明ming了le控kong製zhi更geng高gao功gong率lvTEC所需的條件。另外還包括可能阻礙現有設計實現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製，可用於多種應用。它們是激光二極管冷卻器、微處理器冷卻、聚合酶鏈反應(PCR)係統以及斷層掃描
、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。激光二極管溫度控製等許多應用都使用功率在5 W至15 W範圍內的小型低功耗TEC。它們的驅動器可能采用5 V供電軌運行並提供1 A至3 A的 電流。

但(dan)如(ru)果(guo)我(wo)們(men)需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)功(gong)率(lv)怎(zen)麼(me)辦(ban)
？我(wo)們(men)該(gai)如(ru)何(he)做(zuo)呢(ne)
？我(wo)們(men)應(ying)該(gai)關(guan)注(zhu)什(shen)麼(me)以(yi)及(ji)我(wo)們(men)有(you)什(shen)麼(me)選(xuan)擇(ze)？我(wo)們(men)從(cong)兩(liang)個(ge)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)。第(di)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang)是(shi)，我(wo)們(men)已(yi)經(jing)有(you)一(yi)個(ge)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)的(de)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
？我們應該用什麼來驅動它？

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)將在數據手冊中列出，但它適用於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將如數據手冊中所述。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係。

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 Wdenengli。raner，suoyoujiekoudoujuyourezu，yincidangreliangcongpoertieliujingsanreqibingjinrushineihuanjingshi
，jianghuichuxianwendutidu。ruciyilai，poertiedereduanjiubukenengchuyu22°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！

自發熱

lingyigezhongyaodepoertiegainianshimokuaizaigongzuoshihuichanshengdaliangdezire。zifareliangkenenghuishicongmubiaochuxishoudaodereliangdeliangbei。liru

，dangcongmubiaochuxishoudao25 W的熱量時

，珀爾帖可能會另外產生 50 W的熱量。因此，熱端散熱器必須能夠散發75 W的熱量。

改進現有TEC係統

在第一種情況下
，我們有現成的TEC，隻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。隻需使用熱電偶，或者將測量結果發送至微處理器，熱敏電阻就會有效工作。請參見《基於熱敏電阻的溫度檢測係統—第1部分：設計挑戰和電路配置》和《基於熱敏電阻的溫度檢測係統—第2部分：係統優化與評估》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於室溫，則可能需要更大的散熱器和/或風扇。

yihandeshi，shangshudekuaisujianzhabingmeiyougaosuwomenyouguanpoertiedaosanreqijiekouderenhexinxi。gaijiekoukenengjiaonanchuji
，yincitongchangxuyaochaixiegaizhuangzhi。gaijiekoujingchangshiyongdaoregao，womenxiangyaojianzhatayiquedingshifoucunzaikenengganraorechuandaodeqixue。youyukongqishibuliangdaoreti(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)範圍內。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，有可能在達到某個點時
，增加通過珀爾帖的電流會產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，並且由於散熱不充分，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電阻(ESR)可能是最安全的變化。然而
，無論發生什麼變化，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製穩定性。

新設計

duiyuxindegaogonglvsheji，renmenkenengxiangdaodediyijianshishi，shifoushiyongpoertiemokuaihuopoertiezujian。zheleimokuaibenshenjiushipoertie，jijiazaitaocichendihereduan（+端）之(zhi)間(jian)的(de)碲(di)化(hua)鉍(bi)
，並(bing)焊(han)接(jie)有(you)兩(liang)根(gen)電(dian)線(xian)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，是(shi)由(you)客(ke)戶(hu)來(lai)設(she)計(ji)散(san)熱(re)器(qi)和(he)散(san)熱(re)接(jie)口(kou)的(de)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，組(zu)件(jian)包(bao)含(han)已(yi)連(lian)接(jie)散(san)熱(re)器(qi)的(de)珀(po)爾(er)帖(tie)模(mo)塊(kuai)。典(dian)型(xing)的(de)裝(zhuang)置(zhi)可(ke)能(neng)包(bao)含(han)兩(liang)個(ge)散(san)熱(re)器(qi)和(he)兩(liang)個(ge)風(feng)扇(shan)以(yi)及(ji)引(yin)出(chu)至(zhi)連(lian)接(jie)端(duan)口(kou)的(de)接(jie)線(xian)。散(san)熱(re)器(qi)分(fen)為(wei)不(bu)同(tong)的(de)種(zhong)類(lei)

，例(li)如(ru)風(feng)冷(leng)
、shuilenghuoyierchunlengqueyijizhilianlengque，erqiehaikenengbaohanyongyulianjiedaojiguihuoqitashebeidemouzhongleixingdekuangjia。kehuzhixuweifengshanlianjieyigedianyuan
，ranhoujiukeyizhuanzhuyuqudongqisheji。

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，對於大致相同的功率，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範圍內的可用模塊而言，電阻的變化範圍可以從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。盡管它們的功率並不完全相同

，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。

chucizhiwai
，ninyekeyishiyongduogemokuai
，danshi
，tamenbixujinxingdianqichuanlian，yinweitamendedianzusuiwendubianhua。ruciyilai，binglianzhuangzhizhijiandejunliujianghuishiyixiangtiaozhan。dangran
，shiyongchuanlianzhuangzhi，yajianghuizengjia， 並bing且qie會hui需xu要yao更geng高gao電dian壓ya的de驅qu動dong器qi。然ran而er，電dian氣qi串chuan聯lian的de珀po爾er帖tie裝zhuang置zhi將jiang仍reng具ju有you散san熱re的de並bing行xing功gong能neng。如ru果guo無wu法fa獲huo得de更geng高gao的de電dian壓ya，但dan仍reng需xu要yao兩liang個ge模mo塊kuai，則ze每mei個ge模mo塊kuai都dou必bi須xu由you自zi己ji的de驅qu動dong器qi驅qu動dong。但dan是shi
， 單個溫度反饋可同時用於兩個模塊。

另一種選擇是使用多級模塊。這些模塊包含由製造商堆疊在一起的一到五個模塊。換言之，散熱將為串聯


，因此總ΔT增加
，可以冷卻到較低的溫度。然而
，這並不是一個全能的方法。請 謹jin記ji，每mei個ge模mo塊kuai的de熱re端duan都dou必bi須xu將jiang從cong目mu標biao吸xi收shou的de熱re量liang以yi及ji自zi發fa熱re量liang散san發fa出chu去qu。因yin此ci
，下xia一yi個ge連lian接jie模mo塊kuai的de冷leng端duan必bi須xu要yao轉zhuan移yi來lai自zi第di一yi個ge裝zhuang置zhi的de自zi發fa熱re量liang和he目mu標biao熱re量liang，並bing且qie該gai串chuan聯lian中zhong的de第di三san個ge模mo塊kuai bixuyaonenggoujianglaizimubiaodereliangyijilaizisuoyousangezhuangzhidezifareliangsanfachuqu。zhezhongewaidewendunenglishiyixianzhezengjiasanreweidaijiade。duojimokuaitongchangkanqilaixiangyizuojinzita，yinweijulimubiaozuiyuandemokuaixuyaosanfadaliangreliang，bixugengda。

15 V/4 A驅動器可實現更高功率

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。該控製器的設計考慮了高精度的溫度控製。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
，一側是脈寬調製(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de效xiao率lv。即ji使shi其qi中zhong一yi個ge輸shu出chu為wei線xian性xing輸shu出chu，也ye能neng保bao持chi效xiao率lv，因yin為wei在zai高gao電dian流liu時shi


，交jiao換huan機ji控kong製zhi電dian流liu，線xian性xing驅qu動dong器qi要yao麼me高gao要yao麼me低di
，導dao致zhi壓ya降jiang很hen小xiao。在zai電dian流liu反fan向xiang的de轉zhuan換huan期qi間jian，線xian性xing輸shu出chu將jiang處chu於yu其qi線xian性xing區qu域yu
，但dan電dian流liu很hen小xiao。因yin此ci，線xian性xing驅qu動dong器qi不bu會hui顯xian著zhu影ying響xiang效xiao率lv。利li用yong這zhe種zhong架jia構gou
，不bu僅jin可ke以yi實shi現xian高gao效xiao率lv，而er且qie由you於yu隻zhi需xu要yao一yi個ge電dian感gan，因yin此ci尺chi寸cun更geng小xiao。該gai交jiao換huan機ji還hai使shi用yongSilent Switcher®技術來盡可能地減少電磁幹擾/電磁兼容性(EMI/EMC)輻射。

SPI接口全麵管理控製，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個附加狀態條件，而AMUX監控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橋控製器。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，但也可用於各類電感、電容或電阻負載，例如電機、電磁閥、電池充電、自zi動dong測ce試shi設she備bei電dian源yuan和he加jia熱re係xi統tong，即ji任ren何he需xu要yao半ban橋qiao或huo全quan橋qiao驅qu動dong器qi的de應ying用yong。其qi控kong製zhi模mo式shi可ke以yi是shi電dian壓ya模mo式shi或huo電dian流liu模mo式shi控kong製zhi
，並bing且qie可ke以yi控kong製zhi輸shu出chu電dian壓ya或huo輸shu出chu電dian流liu。控kong製zhi輸shu出chu電dian流liu對dui於yu驅qu動dongTEC模塊尤為實用。

該控製器具有SPI接口，完全由微處理器控製。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橋控製器轉變為準確的TEC驅動器所需的大部分工作已經集成到控製器中。參見圖4。

圖4. LT8204應用電路。

結論

無論是需要提高現有TECdelengquenengli
，haishijihuadazaoxindegenggaogonglvsheji，qizhongsuoshejidechengxudoumeinamefuza。yuanbendeshejikenengcunzaidesanrehuoxiaolvwentidoushikeyijiejuede。xinshejijiangxuyaogenggaogong 率的珀爾帖模塊、多個串聯模塊，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，並且最好是具有內置的準確控溫功能。

來源：ADI智庫

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