智慧類比前端實現熱電制冷控制

作者 : Gavin Bakshi,TI精密DAC產品行銷工程師

熱電制冷以往需要許多離散元件才能實現必要的閉合迴路控制。智慧類比前端於單晶片提供輸入、處理和控制,–40℃至125℃整個工業溫度範圍內皆可使用...

本文聚焦探討稱為「熱電制冷器(thermoelectric cooling;TEC)控制」的工業應用,包括分享幾個如何使用熱電制冷的範例,以及智慧類比前端(AFE)如何在需要熱電制冷器的系統內改善熱電制冷。

何謂熱電制冷器?

熱電制冷善用一種稱為帕帖爾效應(Peltier Effect)的現象,以1834年發現此效應的Jean Charles Athanase Peltier命名。Peltier發現電流通過兩個不同導體會增加熱交換,使一導體較環境溫度高,另一導體則較環境溫度低。通常,針對帕帖爾元件,又稱為電池,通過的電流會形成散熱側(熱側)和吸熱側(冷側)。

這種現象有一相當實際的用途,即透過控制兩個導體上的電流,以受控方式加熱或冷卻帕帖爾元件介面材料。需要溫度監測和控制的應用範例包括工業雷射雕刻機、體外診斷(IVD)裝置和汽車車內溫度控制。

儘管帕帖爾效應已存在逾100年,但一直到1954年,H. Julian Goldsmid才發現並分享以半導體代替原始導電材料可產生更高的溫度梯度。

1顯示電導體和半導體元件之間如何形成接面,利用基於半導體的作法為熱電冷卻產生溫度梯度。

1:基於半導體的帕帖爾元件。

需要熱電制冷的元件或系統所釋放出的熱量會從熱電制冷元件的吸熱側移至與散熱側並交換熱量,散熱側可能透過散熱器的空氣冷卻被動冷卻、或透過強制空氣冷卻或散熱器的水冷卻主動冷卻。碲化鉍是帕帖爾元件中最常使用的半導體。為產生較大溫差,半導體需具高導電性和低導熱性。

熱電制冷用於何處?如何使用?

通常,熱電制冷元件的一邊會作為熱側,另一邊則是冷側,但有趣的是,若反轉原始電流方向,兩側可以交換。改變電源的極性(如1所示)會反轉帕帖爾元件中的電流方向,導致熱側溫度下降,最終變成冷側,並透過漸進式加熱,導致冷側或接面變成熱側。這在工業醫療應用相當有用,可快速加熱和冷卻樣品。

透過帕帖爾元件主動控制電流方向提升準確性和速度,因為可以透過主動控制材料的加熱和冷卻,將材料調整至設定溫度。體外診斷許多應用皆需要這類熱循環,像是聚合酶連鎖反應。這類測試的醫療器材會利用將遺傳物質樣本加熱至約85℃並將樣本冷卻回約30℃。

智慧類比前端與熱電制冷控制

知道哪類型的系統可以使用熱電制冷後,若要將這些功能整合至單一整合電路中,會需要某種感測輸入、記憶體或處理,以及控制輸出。多數設計人員選擇離散實作,以類比數位轉換器(ADC)來感測來自環境的類比輸入、以微控制器(MCU)或記憶體來處理或定址ADC輸入、MCU或記憶體會再處理相應的數位資訊至ADC,以輸出特定電壓或電流。我之所以提到這點,是因為像AFE539A4這樣的智慧類比前端提供熱電制冷器控制全方位閉合迴路類比解決方案,因為它內部便整合上述元件。除了上述基本功能,AFE539A4還能做什麼?

AFE539A4可將其四個輸出重新配置為用於監控的數位類比轉換器(DAC)輸出或ADC輸入,讓您能彈性指定特定應用或系統通道的功能。整合DAC提供電壓、電流或脈衝寬度調變(PWM)輸出。

2說明AFE539A4的多功能性,包括整合基準、非揮發性記憶體、ADC或類比輸出,以及無需MCU、用於閉合迴路控制的ADC或類比輸入。這些整合裝置支持熱電制冷電流感測和補償,如圖右側所示,以及直接負溫度係數介面。類比前端在比例積分控制迴路中利用此輸入資料,將負載調節至溫度設定點。

2:為熱電制冷控制配置之AFE539A4智慧類比前端。

針對智慧類比前端介面和通訊,使用者可選擇I2C介面、串列周邊介面(Serial Peripheral Interface;SPI)或通用輸入/輸出介面(GPIO)。通用輸入/輸出鎖存功能亦可在出現故障時鎖存特定值,例如在高溫情境中,若發生故障或環境因素導致過熱,可指定特定值來保護系統。

結論

熱電制冷是一為人所知的概念,以往需要許多離散元件才能實現必要的閉合迴路控制。智慧類比前端於單晶片提供輸入、處理和控制,–40℃至125℃整個工業溫度範圍內皆可使用,並採用3毫米x 3毫米封裝。

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