智能 AFE 如何为热电冷却控制提供集成模拟解决方案

在本文中，我将更详细地探讨一个以工业为中心的应用，称为热电冷却 (TEC) 控制，包括一些如何使用 TEC 的示例，以及智能 AFE 如何帮助改进需要它的系统中的 TEC 实施。

TEC是什么？

TEC 利用了一种称为 Peltier 效应的现象，该现象以 Jean Charles Athanase Peltier 的名字命名，他在 1834 年发现了这种效应，因为他发现电流通过两个不同的导体会导致热交换增加，使一个导体比环境温度更热，并且一根导体比环境温度低。通常，对于珀耳帖元件，也称为电池，通过的电流形成散热侧（热侧）和吸热侧（冷侧）。这种现象有一个非常实际的用途，即通过控制两个导体上的电流，以受控方式加热或冷却与珀耳帖元件接口的材料。需要温度监测和控制的应用示例包括工业激光打标机、

尽管珀尔帖效应已经存在了 100 多年，但直到 1954 年，H. Julian Goldsmid 才发现并分享了用半导体代替原始导电材料会产生更高的温度梯度。

图 1 显示了电导体和半导体元件之间的结是如何形成的，从而使用基于半导体的方法为 TEC 产生温度梯度。

图 1： 基于半导体的 Peltier 元件

从需要 TEC 的组件或系统释放的热量从 TEC 元件的吸热侧移动并与散热侧交换热量，散热侧通过散热器的空气冷却被动冷却或通过强制空气冷却主动冷却或散热器的水冷。碲化铋是珀耳帖元件中最常用的半导体。为了产生大的温差，这些半导体需要具有高电导率和低热导率。

我们可以在哪里以及如何使用 TEC？

通常，TEC 元件的一侧充当热侧，一侧充当冷侧，但有趣的是，如果我们反转原始电流方向的流动，我们可以交换两侧。改变电源的极性（如图 1 所示）使珀耳帖元件中的电流方向反转，导致热侧温度下降并最终成为冷侧，并导致冷侧或结变成热侧通过渐进式加热。这在工业医疗应用中快速加热和冷却样品时很有用。

主动控制通过 Peltier 元件的电流方向可通过主动控制材料的加热和冷却来提高将材料调整到设定温度的准确性和速度。IVD 中的许多应用都需要这种类型的热循环，例如聚合酶链式反应。负责这些类型测试的医疗设备使用 TEC 将遗传物质样本加热到大约 85°C 并将样本冷却回大约 30°C。

智能 AFE 和 TEC 控制

既然我们知道什么样的系统可以使用 TEC，如果我们要将这些功能集成到单个集成电路中，它将需要某种传感输入、存储器或处理以及控制输出。大多数设计人员选择分立实现，选择模数转换器 (ADC) 来感测来自环境的模拟输入，选择微控制器 (MCU) 或存储器来处理或寻址 ADC 输入，然后选择 MCU 或存储器来处理相应的数字信息到数模控制器 (DAC) 以输出特定的电压或电流。我提到这一点的原因是，像 AFE539A4 这样的智能 AFE 为 TEC 提供了一个整体的闭环解决方案，因为它内部集成了这些组件。有了这些基本功能，AFE539A4还能做什么？

AFE539A4 可将其四个输出重新配置为用于监控的 DAC 输出或 ADC 输入，这样我们就可以灵活地为特定应用或系统指定通道功能。集成 DAC 提供电压、电流或脉宽调制输出。

图 2 说明了 AFE539A4 的多功能性，其中包括集成基准、非易失性存储器、DAC 或模拟输出，以及用于闭环控制的 ADC 或模拟输入，无需 MCU。这些集成器件支持 TEC 电流感应和补偿，如图右侧所示，以及直接负温度系数接口。AFE 在比例积分控制回路中使用此输入数据将负载调节到温度设定点。

图 2： 为 TEC 控制配置的 AFE539A4 智能 AFE

在与智能 AFE 的接口和通信方面，用户可以选择 I 2 C 接口、串行外设接口或通用输入/输出 (GPIO) 接口。GPIO 锁存功能还可用于在出现故障情况时锁存某个值，例如高温场景，其中可能指定一个值用于在故障或导致过热的环境因素期间保护系统。

结论

TEC 是一个众所周知的概念，以前需要许多分立元件来实现必要的闭环控制。智能 AFE 在单个芯片中提供输入、处理和控制，在 –40°C 至 125°C 的整个工业温度范围内指定，采用 3 毫米 x 3 毫米封装。