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    智能AFE如何為熱電冷卻控制提供集成模擬解決方案

    發布時間:2022-05-17 來源:TI 責任編輯:wenwei

    【導讀】目前,智能模擬前端 (AFE) 及其代表的閉環控制已經覆蓋了汽車和工業市場中的廣泛應用。在本文中,我們將詳細地探討一種工業類應用,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 的系統中改進 TEC 的實施。


    什么是 TEC?


    TEC 利用了一種稱為珀爾帖效應的現象,該效應是以 Jean Charles Athanase Peltier 的名字命名,他在 1834 年發現了這種效應。他發現電流通過兩個不同的導體會導致熱交換增加,使一個導體的溫度高于環境溫度,一個導體的溫度低于環境溫度。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(熱側)和一個吸熱側(冷側)。這種現象有一個非常實際的用途,即通過控制兩個導體之間的電流,以一種可控的方式加熱或冷卻與珀爾帖元件接觸的材料。需要溫度監測和控制的應用示例包括工業激光打標機、體外診斷 (IVD) 設備和汽車車內溫度控制。


    盡管發現珀爾帖效應已有 100 多年,但直到 1954 年,H. Julian Goldsmid 才發現并公布用半導體替換原始導電材料會產生更高的溫度梯度。


    圖 1 顯示了電導體與半導體元件之間如何形成結,從而使用基于半導體的方法為 TEC 產生溫度梯度。


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    圖1:基于半導體的珀爾帖元件


    需要 TEC 的組件或系統所釋放的熱量從 TEC 元件的吸熱側移動,并與散熱側交換熱量,散熱側通過散熱器的空氣冷卻被動冷卻,或通過散熱器的強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體。為了產生較大的溫差,這些半導體需要具有高電導率和低熱導率。


    在何處及如何使用 TEC?


    通常,TEC 元件的一側充當熱側,另一側充當冷側,但有意思的是,如果反轉原始電流的流動方向,這兩側可以互換。改變電源的極性(如圖 1 所示)會反轉珀爾帖元件中的電流方向,導致熱側溫度下降并最終變成冷側,通過逐步加熱使冷側或結變成熱側。這在工業醫療應用中快速加熱和冷卻樣片時非常有用。


    主動控制經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,可將材料調整到設定的溫度。IVD 中的許多應用需要這種類型的熱循環,例如聚合酶鏈反應。負責這些類型測試的醫療器件使用 TEC 將遺傳物質樣片加熱到大約 85°C,然后將樣片冷卻到大約 30°C。


    智能 AFE 和 TEC 控制


    想必現在您已經了解什么樣的系統可以使用 TEC,如果我們要將這些功能集成到單個集成電路中,則需要某種感應輸入、存儲器或處理,以及一個控制輸出。大多數設計人員選擇分立式實施,選擇模數轉換器 (ADC) 來感應來自環境的模擬輸入,選擇微控制器 (MCU) 或存儲器來對 ADC 輸入進行處理或尋址,然后 MCU 或存儲器將相應的數字信息傳輸至數??刂破?(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解決方案,因為它內部集成了這些組件。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 輸入以進行監控,從而便于靈活地為特定應用或系統指定某個通道的功能。集成 DAC 提供電壓、電流或脈寬調制輸出。


    圖 2 說明了 AFE539A4 的多功能性,包括集成基準、非易失性存儲器、DAC 或模擬輸出以及 ADC 或模擬輸入,無需 MCU 即可實現閉環控制。這些集成器件支持 TEC 電流檢測和補償(如下圖右側所示),以及直接負溫度系數對接。AFE 在比例積分控制回路中使用此輸入數據將負載調節到溫度設定點。


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    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、串行外設接口或通用輸入/輸出 (GPIO) 接口。GPIO 鎖存特性也可用于在出現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,用于在故障或導致過熱的環境因素期間保護系統。


    結語


    眾所周知,在過去,TEC 需要許多分立式組件來實現必要的閉環控制,而智能 AFE 具有 –40°C 至 125°C 的完整額定工業溫度范圍,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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