【導(dǎo)讀】目前，智能模擬前端 (AFE) 及其代表的閉環(huán)控制已經(jīng)覆蓋了汽車和工業(yè)市場中的廣泛應(yīng)用。在本文中，我們將詳細(xì)地探討一種工業(yè)類應(yīng)用，即熱電冷卻 (TEC) 控制。文中還包括一些示例，說明如何使用 TEC 以及智能 AFE 如何在需要 TEC 的系統(tǒng)中改進(jìn) TEC 的實施。
什么是 TEC？
TEC 利用了一種稱為珀爾帖效應(yīng)的現(xiàn)象，該效應(yīng)是以 Jean Charles Athanase Peltier 的名字命名，他在 1834 年發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)電流通過兩個不同的導(dǎo)體會導(dǎo)致熱交換增加，使一個導(dǎo)體的溫度高于環(huán)境溫度，一個導(dǎo)體的溫度低于環(huán)境溫度。通常，對于珀爾帖元件（也稱為單元），電流通過時會形成一個散熱側(cè)（熱側(cè)）和一個吸熱側(cè)（冷側(cè)）。這種現(xiàn)象有一個非常實際的用途，即通過控制兩個導(dǎo)體之間的電流，以一種可控的方式加熱或冷卻與珀爾帖元件接觸的材料。需要溫度監(jiān)測和控制的應(yīng)用示例包括工業(yè)激光打標(biāo)機(jī)、體外診斷 (IVD) 設(shè)備和汽車車內(nèi)溫度控制。
盡管發(fā)現(xiàn)珀爾帖效應(yīng)已有 100 多年，但直到 1954 年，H. Julian Goldsmid 才發(fā)現(xiàn)并公布用半導(dǎo)體替換原始導(dǎo)電材料會產(chǎn)生更高的溫度梯度。
圖 1 顯示了電導(dǎo)體與半導(dǎo)體元件之間如何形成結(jié)，從而使用基于半導(dǎo)體的方法為 TEC 產(chǎn)生溫度梯度。
圖1：基于半導(dǎo)體的珀爾帖元件
需要 TEC 的組件或系統(tǒng)所釋放的熱量從 TEC 元件的吸熱側(cè)移動，并與散熱側(cè)交換熱量，散熱側(cè)通過散熱器的空氣冷卻被動冷卻，或通過散熱器的強(qiáng)制空氣冷卻或水冷卻主動冷卻。碲化鉍是珀爾帖元件中更為常用的半導(dǎo)體。為了產(chǎn)生較大的溫差，這些半導(dǎo)體需要具有高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率。
在何處及如何使用 TEC？
通常，TEC 元件的一側(cè)充當(dāng)熱側(cè)，另一側(cè)充當(dāng)冷側(cè)，但有意思的是，如果反轉(zhuǎn)原始電流的流動方向，這兩側(cè)可以互換。改變電源的極性（如圖 1 所示）會反轉(zhuǎn)珀爾帖元件中的電流方向，導(dǎo)致熱側(cè)溫度下降并最終變成冷側(cè)，通過逐步加熱使冷側(cè)或結(jié)變成熱側(cè)。這在工業(yè)醫(yī)療應(yīng)用中快速加熱和冷卻樣片時非常有用。
主動控制經(jīng)過珀爾帖元件的電流的方向可提高精度和速度，從而通過主動控制材料的加熱和冷卻，可將材料調(diào)整到設(shè)定的溫度。IVD 中的許多應(yīng)用需要這種類型的熱循環(huán)，例如聚合酶鏈反應(yīng)。負(fù)責(zé)這些類型測試的醫(yī)療器件使用 TEC 將遺傳物質(zhì)樣片加熱到大約 85°C，然后將樣片冷卻到大約 30°C。
智能 AFE 和 TEC 控制
想必現(xiàn)在您已經(jīng)了解什么樣的系統(tǒng)可以使用 TEC，如果我們要將這些功能集成到單個集成電路中，則需要某種感應(yīng)輸入、存儲器或處理，以及一個控制輸出。大多數(shù)設(shè)計人員選擇分立式實施，選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 來感應(yīng)來自環(huán)境的模擬輸入，選擇微控制器 (MCU) 或存儲器來對 ADC 輸入進(jìn)行處理或?qū)ぶ?，然?MCU 或存儲器將相應(yīng)的數(shù)字信息傳輸至數(shù)模控制器 (DAC)，以輸出特定的電壓或電流。我提到這一點的原因是，像 AFE539A4 這樣的智能 AFE 為 TEC 提供了一個整體的閉環(huán)解決方案，因為它內(nèi)部集成了這些組件。在滿足這些基本功能后，AFE539A4 還能做什么？
AFE539A4 可將其四個輸出重新配置為 DAC 輸出或 ADC 輸入以進(jìn)行監(jiān)控，從而便于靈活地為特定應(yīng)用或系統(tǒng)指定某個通道的功能。集成 DAC 提供電壓、電流或脈寬調(diào)制輸出。
圖 2 說明了 AFE539A4 的多功能性，包括集成基準(zhǔn)、非易失性存儲器、DAC 或模擬輸出以及 ADC 或模擬輸入，無需 MCU 即可實現(xiàn)閉環(huán)控制。這些集成器件支持 TEC 電流檢測和補(bǔ)償（如下圖右側(cè)所示），以及直接負(fù)溫度系數(shù)對接。AFE 在比例積分控制回路中使用此輸入數(shù)據(jù)將負(fù)載調(diào)節(jié)到溫度設(shè)定點。
圖 2：配置用于 TEC 控制的 AFE539A4 智能 AFE
在與智能 AFE 的連接和通信方面，用戶可以選擇 I2C 接口、串行外設(shè)接口或通用輸入/輸出 (GPIO) 接口。GPIO 鎖存特性也可用于在出現(xiàn)故障時鎖存到某個值，比如在高溫情況下，可能會指定一個值，用于在故障或?qū)е逻^熱的環(huán)境因素期間保護(hù)系統(tǒng)。
結(jié)語
眾所周知，在過去，TEC 需要許多分立式組件來實現(xiàn)必要的閉環(huán)控制，而智能 AFE 具有 –40°C 至 125°C 的完整額定工業(yè)溫度范圍，采用 3mm x 3mm 封裝，可在單個芯片中提供輸入、處理和控制功能。
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