【導讀】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(chē)和工業(yè)市場(chǎng)中的廣泛應用。在本文中，我們將詳細地探討一種工業(yè)類(lèi)應用，即熱電冷卻 (TEC) 控制。文中還包括一些示例，說(shuō)明如何使用 TEC 以及智能 AFE 如何在需要 TEC 的系統中改進(jìn) TEC 的實(shí)施。
什么是 TEC？
TEC 利用了一種稱(chēng)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(fā)現了這種效應。他發(fā)現電流通過(guò)兩個(gè)不同的導體會(huì )導致熱交換增加，使一個(gè)導體的溫度高于環(huán)境溫度，一個(gè)導體的溫度低于環(huán)境溫度。通常，對于珀爾帖元件（也稱(chēng)為單元），電流通過(guò)時(shí)會(huì )形成一個(gè)散熱側（熱側）和一個(gè)吸熱側（冷側）。這種現象有一個(gè)非常實(shí)際的用途，即通過(guò)控制兩個(gè)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(yè)激光打標機、體外診斷 (IVD) 設備和汽車(chē)車(chē)內溫度控制。
盡管發(fā)現珀爾帖效應已有 100 多年，但直到 1954 年，H. Julian Goldsmid 才發(fā)現并公布用半導體替換原始導電材料會(huì )產(chǎn)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(chǎn)生溫度梯度。
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(dòng)，并與散熱側交換熱量，散熱側通過(guò)散熱器的空氣冷卻被動(dòng)冷卻，或通過(guò)散熱器的強制空氣冷卻或水冷卻主動(dòng)冷卻。碲化鉍是珀爾帖元件中更為常用的半導體。為了產(chǎn)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(dòng)方向，這兩側可以互換。改變電源的極性（如圖 1 所示）會(huì )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(guò)逐步加熱使冷側或結變成熱側。這在工業(yè)醫療應用中快速加熱和冷卻樣片時(shí)非常有用。
主動(dòng)控制經(jīng)過(guò)珀爾帖元件的電流的方向可提高精度和速度，從而通過(guò)主動(dòng)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(lèi)型的熱循環(huán)，例如聚合酶鏈反應。負責這些類(lèi)型測試的醫療器件使用 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
想必現在您已經(jīng)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(gè)集成電路中，則需要某種感應輸入、存儲器或處理，以及一個(gè)控制輸出。大多數設計人員選擇分立式實(shí)施，選擇模數轉換器 (ADC) 來(lái)感應來(lái)自環(huán)境的模擬輸入，選擇微控制器 (MCU) 或存儲器來(lái)對 ADC 輸入進(jìn)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(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，因為它內部集成了這些組件。在滿(mǎn)足這些基本功能后，AFE539A4 還能做什么？
AFE539A4 可將其四個(gè)輸出重新配置為 DAC 輸出或 ADC 輸入以進(jìn)行監控，從而便于靈活地為特定應用或系統指定某個(gè)通道的功能。集成 DAC 提供電壓、電流或脈寬調制輸出。
圖 2 說(shuō)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(wú)需 MCU 即可實(shí)現閉環(huán)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(diǎn)。
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(hù)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(shí)鎖存到某個(gè)值，比如在高溫情況下，可能會(huì )指定一個(gè)值，用于在故障或導致過(guò)熱的環(huán)境因素期間保護系統。
結語(yǔ)
眾所周知，在過(guò)去，TEC 需要許多分立式組件來(lái)實(shí)現必要的閉環(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(gè)芯片中提供輸入、處理和控制功能。
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