【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

另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)珀(po)爾(er)帖(tie)概(gai)念(nian)是(shi)模(mo)塊(kuai)在(zai)工(gong)作(zuo)時(shi)會(hui)產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)的(de)自(zi)熱(re)。自(zi)發(fa)熱(re)量(liang)可(ke)能(neng)會(hui)是(shi)從(cong)目(mu)標(biao)處(chu)吸(xi)收(shou)到(dao)的(de)熱(re)量(liang)的(de)兩(liang)倍(bei)。例(li)如(ru)
，當(dang)從(cong)目(mu)標(biao)處(chu)吸(xi)收(shou)到(dao)25 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。

遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)
，上(shang)述(shu)的(de)快(kuai)速(su)檢(jian)查(zha)並(bing)沒(mei)有(you)告(gao)訴(su)我(wo)們(men)有(you)關(guan)珀(po)爾(er)帖(tie)到(dao)散(san)熱(re)器(qi)接(jie)口(kou)的(de)任(ren)何(he)信(xin)息(xi)。該(gai)接(jie)口(kou)可(ke)能(neng)較(jiao)難(nan)觸(chu)及(ji)

，因(yin)此(ci)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)拆(chai)卸(xie)該(gai)裝(zhuang)置(zhi)。該(gai)接(jie)口(kou)經(jing)常(chang)使(shi)用(yong)導(dao)熱(re)膏(gao)，我(wo)們(men)想(xiang)要(yao)檢(jian)查(zha)它(ta)以(yi)確(que)定(ding)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)可(ke)能(neng)幹(gan)擾(rao)熱(re)傳(chuan)導(dao)的(de)氣(qi)穴(xue)。由(you)於(yu)空(kong)氣(qi)是(shi)不(bu)良(liang)導(dao)熱(re)體(ti)(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)
、水shui冷leng或huo乙yi二er醇chun冷leng卻que以yi及ji直zhi連lian冷leng卻que
，而er且qie還hai可ke能neng包bao含han用yong於yu連lian接jie到dao機ji櫃gui或huo其qi他ta設she備bei的de某mou種zhong類lei型xing的de框kuang架jia。客ke戶hu隻zhi需xu為wei風feng扇shan連lian接jie一yi個ge電dian源yuan，然ran後hou就jiu可ke以yi專zhuan注zhu於yu驅qu動dong器qi設she計ji。

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。

除(chu)此(ci)之(zhi)外(wai)，您(nin)也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)模(mo)塊(kuai)
，但(dan)是(shi)，它(ta)們(men)必(bi)須(xu)進(jin)行(xing)電(dian)氣(qi)串(chuan)聯(lian)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)的(de)電(dian)阻(zu)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)。如(ru)此(ci)一(yi)來(lai)，並(bing)聯(lian)裝(zhuang)置(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)均(jun)流(liu)將(jiang)會(hui)是(shi)一(yi)項(xiang)挑(tiao)戰(zhan)。當(dang)然(ran)
，使(shi)用(yong)串(chuan)聯(lian)裝(zhuang)置(zhi)，壓(ya)降(jiang)會(hui)增(zeng)加(jia)， bingqiehuixuyaogenggaodianyadequdongqi。raner，dianqichuanliandepoertiezhuangzhijiangrengjuyousanredebingxinggongneng。ruguowufahuodegenggaodedianya，danrengxuyaolianggemokuai，zemeigemokuaidoubixuyouzijidequdongqiqudong。danshi
， 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 jinji，meigemokuaidereduandoubixujiangcongmubiaoxishoudereliangyijizifareliangsanfachuqu。yinci
，xiayigelianjiemokuaidelengduanbixuyaozhuanyilaizidiyigezhuangzhidezifarelianghemubiaoreliang，bingqiegaichuanlianzhongdedisangemokuai 必bi須xu要yao能neng夠gou將jiang來lai自zi目mu標biao的de熱re量liang以yi及ji來lai自zi所suo有you三san個ge裝zhuang置zhi的de自zi發fa熱re量liang散san發fa出chu去qu。這zhe種zhong額e外wai的de溫wen度du能neng力li是shi以yi顯xian著zhe增zeng加jia散san熱re為wei代dai價jia的de。多duo級ji模mo塊kuai通tong常chang看kan起qi來lai像xiang一yi座zuo金jin字zi塔ta
，因yin為wei距ju離li目mu標biao最zui遠yuan的de模mo塊kuai需xu要yao散san發fa大da量liang熱re量liang，必bi須xu更geng大da。

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(yong)Silent 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(dong)TEC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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