在本文中，我將更詳細地探討一個以工業(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 如何幫助改進需要它的系統(tǒng)中的 TEC 實施。

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)，因為他發(fā)現(xiàn)電流通過兩個不同的導體會導致熱交換增加，使一個導體比環(huán)境溫度更熱，并且一根導體比環(huán)境溫度低。通常，對于珀耳帖元件，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)象有一個非常實際的用途，即通過控制兩個導體上的電流，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)測和控制的應(yīng)用示例包括工業(yè)激光打標機、

盡管珀爾帖效應(yīng)已經(jīng)存在了 100 多年，但直到 1954 年，H. Julian Goldsmid 才發(fā)現(xiàn)并分享了用半導體代替原始導電材料會產(chǎn)生更高的溫度梯度。

圖 1 顯示了電導體和半導體元件之間的結(jié)是如何形成的，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 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冷卻或通過強制空氣冷卻主動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體。為了產(chǎn)生大的溫差，這些半導體需要具有高電導率和低熱導率。

我們可以在哪里以及如何使用 TEC？

通常，TEC 元件的一側(cè)充當熱側(cè)，一側(cè)充當冷側(cè)，但有趣的是，如果我們反轉(zhuǎn)原始電流方向的流動，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)，導致熱側(cè)溫度下降并最終成為冷側(cè)，并導致冷側(cè)或結(jié)變成熱側(cè)通過漸進式加熱。這在工業(yè)醫(yī)療應(yīng)用中快速加熱和冷卻樣品時很有用。

主動控制通過 Peltier 元件的電流方向可通過主動控制材料的加熱和冷卻來提高將材料調(diào)整到設(shè)定溫度的準確性和速度。IVD 中的許多應(yīng)用都需要這種類型的熱循環(huán)，例如聚合酶鏈式反應(yīng)。負責這些類型測試的醫(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集成電路中，它將需要某種傳感輸入、存儲器或處理以及控制輸出。大多數(shù)設(shè)計人員選擇分立實現(xiàn)，選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 來感測來自環(huán)境的模擬輸入，選擇微控制器 (MCU) 或存儲器來處理或?qū)ぶ?ADC 輸入，然后選擇 MCU 或存儲器來處理相應(yīng)的數(shù)字信息到數(shù)?？刂破?(DAC) 以輸出特定的電壓或電流。我提到這一點的原因是，像 AFE539A4 這樣的智能 AFE 為 TEC 提供了一個整體的閉環(huán)解決方案，因為它內(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 說明了 AFE539A4 的多功能性，其中包括集成基準、非易失性存儲器、DAC 或模擬輸出，以及用于閉環(huán)控制的 ADC 或模擬輸入，無需 MCU。這些集成器件支持 TEC 電流感應(yīng)和補償，如圖右側(cè)所示，以及直接負溫度系數(shù)接口。AFE 在比例積分控制回路中使用此輸入數(shù)據(jù)將負載調(diào)節(jié)到溫度設(shè)定點。

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)故障情況時鎖存某個值，例如高溫場景，其中可能指定一個值用于在故障或?qū)е逻^熱的環(huán)境因素期間保護系統(tǒng)。

結(jié)論

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