熱電冷卻器 （TEC） 可用于許多需要精確溫度控制的應用中。溫度關鍵組件與TEC和溫度監測器集成到單個熱工程模塊中。TEC還可以通過反轉電流來加熱。TEC的小尺寸允許對單個組件進行精確的熱控制，例如光纖激光驅動器，精密基準電壓源或任何溫度關鍵設備。

本應用筆記簡要討論了TEC設計的起源和歷史，然后概述了TEC的基本操作。TEC控制和補償問題隨之而來。本文最后對優化TEC進行了詳細的分析和方程式。

介紹

1821年，托馬斯·塞貝克（Thomas Seebeck）發現，當兩個不同材料的導體連接在一個回路中并且兩個結之間存在溫差時，電流流過回路。十二年后，J. C. Peltier展示了相反的效果：通過切割回路中的一根導體并迫使電流通過回路，在兩個結之間觀察到溫差。由于當時可用的材料，所涉及的大電流產生的電阻熱主導了珀爾帖效應。隨著最近材料的進步，這些結點已變得更加實用，可用作熱電熱泵，其功能與碳氟化合物基蒸汽壓縮制冷相同。雖然仍然不如蒸汽循環裝置有效，但這些液絡部沒有運動部件或工作流體，并且尺寸可能非常小。

基本操作理論

由于珀爾帖效應可以通過電力線性控制，因此熱電冷卻器 （TEC） 已在許多涉及精確溫度控制的應用中被發現。溫度關鍵組件、TEC 和溫度監控器集成在單個熱工程模塊中。TEC控制需要能夠提供正負電壓的可逆電源。為了通過單電源實現這一點，可以使用H橋電路。雖然線性電源噪聲低，但其效率低下需要大型元件和額外的隔熱層，以防止穩壓器廢熱加載冷卻器?；蛘?，兩個具有互補驅動器的同步降壓電路可提供更高效率的電源，可從單個正電源提供雙極性電源。兩個輸出電壓的強制脈寬調制 （PWM） 控制允許電流源出和吸收。在電流吸收期間，電力被回收并發送回電源線。

TEC的小尺寸允許對單個組件進行精確的熱控制，例如光纖激光驅動器，精密基準電壓源或任何其他溫度關鍵設備。TEC還可以通過反轉電流來加熱。

TEC 功率控制

MAX1968和MAX1978是高度集成的H橋PWM開關模式驅動器，設計用于帕爾貼TEC模塊。

MAX1968在28引腳耐熱增強型TSSOP-EP封裝上集成了四個電源開關和PWM控制，是控制TEC的一種高性價比方案。MAX48采用1978引腳TQFN-EP封裝，包括MAX1968的所有電路以及構建熱反饋環路所需的放大器。MAX8520和MAX8521采用20引腳TQFN （MAX8520）或36焊球WLP （MAX8521）封裝，具有最小的PCB占位面積。MAX1978底部的裸露焊盤允許其封裝耗散高達3.2W，并采用單3V電源提供雙極性±3V/5A。開關頻率可選擇在 500kHz 或 1MHz 頻率下進行。獨立的正負輸出電流限值以及電壓限值集成在芯片上，并可使用外部電阻器進行設置。模擬控制信號精確設置 TEC 電流，與 TEC 電壓無關。高度集成的MAX1978為TEC的驅動和控制提供了高性價比的解決方案，控制環路僅需無源外部元件。

使用控制回路調節TEC溫度

為了進行精確的溫度控制，TEC模塊內部或附近的本地監視器發送溫度信息，并與參考進行比較，從而產生錯誤信號。該誤差信號被放大并發送到TEC公司。然后，TEC改變本地監視器溫度，從而完成循環。與任何控制環路一樣，穩態精度與直流環路增益有關。鑒于熱質量大，溫度監測器可能需要數十秒才能響應TEC變化。因此，TEC和監控環路的補償可能需要慢速積分器以避免振蕩和過沖。由于積分器最終需要較大的時間常數，因此很難找到具有足夠低漏電的高值電容器來實現高直流增益。因此，為了實現穩定性，必須選擇最小尺寸的積分器電容器。

要開始補償熱回路，必須了解TEC模塊的熱響應。TEC模塊的低頻響應可以通過使用MAX1968或MAX1978作為TEC的驅動器、模塊中的內部熱敏電阻以及亞赫茲容量的網絡分析儀（如安捷倫? HP3562A動態信號分析儀）來測量。大多數半導體激光二極管TEC模塊的行為大致類似于兩極系統。第一極從20mHz開始，第二極從1Hz開始。如果沒有網絡分析儀，請測量直流增益，并假設 20mHz 和 1Hz 極點近似 TEC 響應。雖然這個模型很粗糙，但它有助于我們理解閉環的局限性。由于模塊具有20mHz的慢速極點，因此TEC模塊預計會有90度的相移，最高可達1Hz。此后，第二極產生潛在的振蕩條件。

冷卻模式下的TEC響應如圖1中的實線以圖形方式顯示。由于在相同的輸入電流下，TEC的加熱能力是冷卻的四倍，因此該響應可能相差6dB。散熱、環境溫度和模塊內部產生的熱量等其他因素也會改變響應。來自不同制造商的模塊也可能有不同的響應。如果使用沒有內部熱敏電阻的TEC模塊，請分別表征所選TEC和熱敏電阻的頻率響應。

圖1.TEC 頻率響應。

補償循環

圖2所示的比例積分微分（PID）控制器是一個很好的起點。從這里，可以進行調整以優化TEC響應。為了獲得最高的直流增益，需要一個積分器。圖2中的積分器由C2形成，并增加了第三個極點，如果沒有R3（圖2），則無法穩定。R3在單位增益交越之前將零插入積分器;理想情況下，這應該發生在第一極20mHz。它可以推到70mHz，沒有任何穩定性問題。盡管此過程會產生從20mHz到70mHz的二階響應，但相位永遠不會達到振蕩條件（180度）。如圖 1 中的紅色虛線所示。

圖2.PID控制器電路。

圖1中由C1、R2和R2組成的差分網絡增加了另一個零，以抵消TEC模塊中的第二個1Hz極點。該零點提供了額外的相位裕量，以更高的頻率閉合環路。圖 1 中用藍色虛線說明了這一點。雖然不需要與高環路帶寬相關的快速響應，但需要高直流增益和小電容。補償器使用C3在30Hz時滾降增益，從而減少向環路注入的噪聲。在TEC應用中，該電路允許環路在2Hz下交越，并在很寬的范圍內提供良好的相位裕量。

圖3中的TEC熱環路是2Hz分頻器的補償示例。選擇盡可能高的R3允許最小的積分器電容C2。然而，這種方法是以PID階段更高的增益為代價的。因為我們必須在 70mHz 處插入一個零，所以我們使用以下關系：

fZ1 = 1/(2π × C2 × R3)

用 f跟1 = 70mHz并選擇R3 = 243kΩ，得出C2 = 9.36μF。我們選擇10μF作為設計。現在我們選擇 R1 = 10kΩ。這允許前端放大器（U2）獲得足夠的增益，以減少反射積分器（U1）誤差，同時保持合理的電容尺寸。

圖3.熱回路框圖。

現在我們必須插入一個零點以消除 TEC 的第二個極點在 1Hz。由于我們需要良好的相位裕量，因此我們將零點插入所需的交越頻率除以至少5或0.4Hz。這在交越頻率下提供了更好的相位裕量。然后，我們將R1產生的極點放置在至少比交越頻率高5倍或10Hz的位置來終止零點。這限制了環路交叉后積分器部分的增益。

因此，因為：

fZ2 = 1/(2π × C1 × R2)

并帶有f跟2 = 0.4Hz，R2 = 510kΩ，因此C1 = 0.78μF。我們選擇1μF作為設計。為了找到 R1，我們使用關系：

f3 = 1/（2pi × C1 × R1）

當f3 = 10Hz和C1 = 1μF時，我們發現R1 = 15.9kΩ。我們使用10kΩ來提供更好的相位裕量。 然后，我們必須將滾降頻率設置為 30Hz。當R3 = 243kΩ時，fC= 30Hz，并且：

fC= 1/（2π × C3 × R3）

我們發現C3 = 0.022μF。

現在TEC響應已經優化，系統增益必須針對2Hz的交越進行調整。從圖1中可以看出，在2Hz時，未補償傳遞函數（圖1中的實線）具有-30dB增益。如果我們想要2Hz單位增益交越，我們必須在30Hz時提供+2dB增益。由于U1及其組件的增益為2Hz，因此我們必須從所需的總系統增益中減去該增益，以求出前端增益。R3和C1定義了U1的增益。在2Hz時，R1、R2、C2和C3可以忽略不計。C1在2Hz時的無功阻抗可以使用以下公式找到：

XC= -j/（2π × fC× C1

C1 = 1μF 和 f 時C= 2Hz，因此：

XC= -j79.6kΩ

U1的增益G的大小為：

G = |R3/XC|

R3 = 243kΩ 和 X 時C= -j79.6kΩ， G = 3.05 或 9.7dB.在不忽略R1、R2、C2和C3的情況下，對該增益進行全面分析，得出G = 3.11或9.8dB，從而驗證了我們的假設。我們現在必須在前端提供20.3dB，以實現2Hz的單位增益交叉。

前端增益部分有兩個功能：減少U1中積分器的誤差，并對熱敏電阻的溫度信息進行采樣。R4、R5和U2設置的直流增益（圖3）需要足夠高，以確保誤差信號不會被PID補償部分覆蓋。當R4 = 10kΩ和R5 = 100kΩ時，前端增益為11或20.8dB，足以超過PID補償部分的9.7dB。來自熱敏電阻的溫度讀數作為誤差信號傳遞到PID控制部分。誤差信號表示實際溫度（THERM）和所需溫度（設定點IN）之間的差異。U2輸出端的誤差信號可以計算為：

其中1.5V是通過10kΩ電阻連接到THERM的基準電壓源的值;RT是熱敏電阻的電阻;和 V設置是設定點 IN 處的電壓。

使用補償熱回路調節TEC溫度

整個環路和補償值的示例如圖3所示。通過知道電阻值 RT將在給定溫度下，V設置可以選擇將熱敏電阻的溫度自動調節到該值。此示例使用跳線可選的數模轉換器（DAC）或電位計來控制V設置.通過將誤差信號發送到PID補償部分來調節溫度，PID補償部分控制TEC驅動器的模擬輸入，直到誤差信號接近0。由于PID補償器提供了良好的相位裕量，因此該電路對加熱或冷卻模式下的TEC增益變化具有很強的耐受性。

選擇組件

為該電路選擇元件將取決于應用所需的特定要求。MAX1978提供片內放大器，足以滿足這種設計拓撲。如果使用MAX1968、MAX8520或MAX8521，那么像MAX4477ASA這樣具有低失調電壓漂移的運算放大器是U2和U3的理想選擇。由于熱敏電阻處的信號電平較低，因此應使用屏蔽線。U1應具有超低漏電流，以避免高電路阻抗產生的直流偏移。漏電流為4475pA （最大值）的MAX150ASA運算放大器是一個不錯的選擇。U1周圍的元件，特別是C2和C3，應選擇具有最高漏電阻的元件;C2需要盡可能低的熱漂移。聚苯乙烯薄膜電容器是最佳選擇，但它們非常大且昂貴。陶瓷電容器是一個不錯的選擇，但較大的值可能會泄漏到足以導致增益誤差。請勿使用電解電容器或鉭電容器。用 PC 板走線構成的保護環應連接到 U1 的同相引腳周圍和下方，并在其組件上。保護環攔截任何可能在求和結中引起錯誤的雜散電流。助焊劑、濕氣和玻璃纖維 PC 板會導致漏電流，保護環可以改善這些影響。對電路板及其組件進行保形涂層有助于防止污染物干擾電路性能。

測試TEC控制回路和模塊

可以使用單位步長函數測試循環。溫度設定點的簡單變化應該會在熱敏電阻中引起響應，該響應收斂于新的溫度設定點，而過沖很小。在階躍響應中觀察到的振鈴表明交越頻率處的相位裕量較差。通過記錄振鈴頻率和振鈴數，可以調整直流增益（交越頻率）或補償電路（相位裕量），直到滿足可接受的響應。

通過使用這種方法并深入了解TEC行為，可以在沒有網絡分析儀的情況下補償TEC環路。即使借助網絡分析儀，也應在加熱和冷卻模式下以單位步進響應檢查系統。在冷卻模式下加熱TEC和在加熱模式下冷卻是最壞的情況。環路中的直流誤差可以使用輸入阻抗為 6GΩ 的 1 位儀表進行測量，例如用于測量 SET POINT IN 和 THERM 之間差值的 Agilent 34401A（圖 3）。該誤差應在100μV范圍內?？梢允褂?a href="http://www.zgszdi.cn/tags/泰克/" target="_blank">泰克? ADA400A 等差分放大器和示波器在同一點測量噪聲。帶寬為100Hz時，該誤差應低于20μVP-P.

結論

精密熱控制應用將繼續使用TEC作為解決方案。TEC性能有望繼續提高，使其成為越來越多的溫度控制應用的更具吸引力的解決方案。TEC甚至可以取代用于加熱和冷卻家庭的蒸汽循環制冷設備。TEC驅動器和熱控制回路才剛剛開始找到實際應用。

審核編輯：郭婷