智能 AFE 如何為熱電冷卻控制提供集成模擬解決方案

在本文中，我將更詳細(xì)地探討一個(gè)以工業(yè)為中心的應(yīng)用，稱為熱電冷卻 (TEC) 控制，包括一些如何使用 TEC 的示例，以及智能 AFE 如何幫助改進(jìn)需要它的系統(tǒng)中的 TEC 實(shí)施。

TEC是什么？

TEC 利用了一種稱為 Peltier 效應(yīng)的現(xiàn)象，該現(xiàn)象以 Jean Charles Athanase Peltier 的名字命名，他在 1834 年發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)電流通過兩個(gè)不同的導(dǎo)體會(huì)導(dǎo)致熱交換增加，使一個(gè)導(dǎo)體比環(huán)境溫度更熱，并且一根導(dǎo)體比環(huán)境溫度低。通常，對(duì)于珀耳帖元件，也稱為電池，通過的電流形成散熱側(cè)（熱側(cè)）和吸熱側(cè)（冷側(cè)）。這種現(xiàn)象有一個(gè)非常實(shí)際的用途，即通過控制兩個(gè)導(dǎo)體上的電流，以受控方式加熱或冷卻與珀耳帖元件接口的材料。需要溫度監(jiān)測(cè)和控制的應(yīng)用示例包括工業(yè)激光打標(biāo)機(jī)、

盡管珀?duì)柼?yīng)已經(jīng)存在了 100 多年，但直到 1954 年，H. Julian Goldsmid 才發(fā)現(xiàn)并分享了用半導(dǎo)體代替原始導(dǎo)電材料會(huì)產(chǎn)生更高的溫度梯度。

圖 1 顯示了電導(dǎo)體和半導(dǎo)體元件之間的結(jié)是如何形成的，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 Peltier 元件

從需要 TEC 的組件或系統(tǒng)釋放的熱量從 TEC 元件的吸熱側(cè)移動(dòng)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(dòng)冷卻或通過強(qiáng)制空氣冷卻主動(dòng)冷卻或散熱器的水冷。碲化鉍是珀耳帖元件中最常用的半導(dǎo)體。為了產(chǎn)生大的溫差，這些半導(dǎo)體需要具有高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率。

我們可以在哪里以及如何使用 TEC？

通常，TEC 元件的一側(cè)充當(dāng)熱側(cè)，一側(cè)充當(dāng)冷側(cè)，但有趣的是，如果我們反轉(zhuǎn)原始電流方向的流動(dòng)，我們可以交換兩側(cè)。改變電源的極性（如圖 1 所示）使珀耳帖元件中的電流方向反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致熱側(cè)溫度下降并最終成為冷側(cè)，并導(dǎo)致冷側(cè)或結(jié)變成熱側(cè)通過漸進(jìn)式加熱。這在工業(yè)醫(yī)療應(yīng)用中快速加熱和冷卻樣品時(shí)很有用。

主動(dòng)控制通過 Peltier 元件的電流方向可通過主動(dòng)控制材料的加熱和冷卻來(lái)提高將材料調(diào)整到設(shè)定溫度的準(zhǔn)確性和速度。IVD 中的許多應(yīng)用都需要這種類型的熱循環(huán)，例如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。負(fù)責(zé)這些類型測(cè)試的醫(yī)療設(shè)備使用 TEC 將遺傳物質(zhì)樣本加熱到大約 85°C 并將樣本冷卻回大約 30°C。

智能 AFE 和 TEC 控制

既然我們知道什么樣的系統(tǒng)可以使用 TEC，如果我們要將這些功能集成到單個(gè)集成電路中，它將需要某種傳感輸入、存儲(chǔ)器或處理以及控制輸出。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員選擇分立實(shí)現(xiàn)，選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 來(lái)感測(cè)來(lái)自環(huán)境的模擬輸入，選擇微控制器 (MCU) 或存儲(chǔ)器來(lái)處理或?qū)ぶ?ADC 輸入，然后選擇 MCU 或存儲(chǔ)器來(lái)處理相應(yīng)的數(shù)字信息到數(shù)?？刂破?(DAC) 以輸出特定的電壓或電流。我提到這一點(diǎn)的原因是，像 AFE539A4 這樣的智能 AFE 為 TEC 提供了一個(gè)整體的閉環(huán)解決方案，因?yàn)樗鼉?nèi)部集成了這些組件。有了這些基本功能，AFE539A4還能做什么？

AFE539A4 可將其四個(gè)輸出重新配置為用于監(jiān)控的 DAC 輸出或 ADC 輸入，這樣我們就可以靈活地為特定應(yīng)用或系統(tǒng)指定通道功能。集成 DAC 提供電壓、電流或脈寬調(diào)制輸出。

圖 2 說(shuō)明了 AFE539A4 的多功能性，其中包括集成基準(zhǔn)、非易失性存儲(chǔ)器、DAC 或模擬輸出，以及用于閉環(huán)控制的 ADC 或模擬輸入，無(wú)需 MCU。這些集成器件支持 TEC 電流感應(yīng)和補(bǔ)償，如圖右側(cè)所示，以及直接負(fù)溫度系數(shù)接口。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(diǎn)。

圖 2： 為 TEC 控制配置的 AFE539A4 智能 AFE

在與智能 AFE 的接口和通信方面，用戶可以選擇 I 2 C 接口、串行外設(shè)接口或通用輸入/輸出 (GPIO) 接口。GPIO 鎖存功能還可用于在出現(xiàn)故障情況時(shí)鎖存某個(gè)值，例如高溫場(chǎng)景，其中可能指定一個(gè)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)論

TEC 是一個(gè)眾所周知的概念，以前需要許多分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的閉環(huán)控制。智能 AFE 在單個(gè)芯片中提供輸入、處理和控制，在 –40°C 至 125°C 的整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)指定，采用 3 毫米 x 3 毫米封裝。