技术干货｜智能AFE如何为热电冷却控制提供集成模拟解决方案

目前，智能模拟前端 (AFE) 及其代表的闭环控制已经覆盖了汽车和工业市场中的广泛应用。

在本文中，我们将详细地探讨一种工业类应用，即热电冷却 (TEC) 控制。文中还包括一些示例，说明如何使用 TEC 以及智能 AFE 如何在需要 TEC 的系统中改进 TEC 的实施。

TEC 利用了一种称为珀尔帖效应的现象，该效应是以 Jean Charles Athanase Peltier 的名字命名，他在 1834 年发现了这种效应。他发现电流通过两个不同的导体会导致热交换增加，使一个导体的温度高于环境温度，一个导体的温度低于环境温度。通常，对于珀尔帖元件（也称为单元），电流通过时会形成一个散热侧（热侧）和一个吸热侧（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之间的电流，以一种可控的方式加热或冷却与珀尔帖元件接触的材料。需要温度监测和控制的应用示例包括工业激光打标机、体外诊断 (IVD) 设备和汽车车内温度控制。

尽管发现珀尔帖效应已有 100 多年，但直到 1954 年，H. Julian Goldsmid 才发现并公布用半导体替换原始导电材料会产生更高的温度梯度。

图 1 显示了电导体与半导体元件之间如何形成结，从而使用基于半导体的方法为 TEC 产生温度梯度。

图1：基于半导体的珀尔帖元件

需要 TEC 的组件或系统所释放的热量从 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，或通过散热器的强制空气冷却或水冷却主动冷却。碲化铋是珀尔帖元件中更为常用的半导体。为了产生较大的温差，这些半导体需要具有高电导率和低热导率。

通常，TEC 元件的一侧充当热侧，另一侧充当冷侧，但有意思的是，如果反转原始电流的流动方向，这两侧可以互换。改变电源的极性（如图 1 所示）会反转珀尔帖元件中的电流方向，导致热侧温度下降并最终变成冷侧，通过逐步加热使冷侧或结变成热侧。这在工业医疗应用中快速加热和冷却样片时非常有用。

主动控制经过珀尔帖元件的电流的方向可提高精度和速度，从而通过主动控制材料的加热和冷却，可将材料调整到设定的温度。IVD 中的许多应用需要这种类型的热循环，例如聚合酶链反应。负责这些类型测试的医疗器件使用 TEC 将遗传物质样片加热到大约 85°C，然后将样片冷却到大约 30°C。

想必现在您已经了解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，则需要某种感应输入、存储器或处理，以及一个控制输出。大多数设计人员选择分立式实施，选择模数转换器 (ADC) 来感应来自环境的模拟输入，选择微控制器 (MCU) 或存储器来对 ADC 输入进行处理或寻址，然后 MCU 或存储器将相应的数字信息传输至数模控制器 (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。在满足这些基本功能后，AFE539A4 还能做什么？

AFE539A4 可将其四个输出重新配置为 DAC 输出或 ADC 输入以进行监控，从而便于灵活地为特定应用或系统指定某个通道的功能。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，包括集成基准、非易失性存储器、DAC 或模拟输出以及 ADC 或模拟输入，无需 MCU 即可实现闭环控制。这些集成器件支持 TEC 电流检测和补偿（如下图右侧所示），以及直接负温度系数对接。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：配置用于 TEC 控制的 AFE539A4 智能 AFE

在与智能 AFE 的连接和通信方面，用户可以选择 I2C 接口、串行外设接口或通用输入/输出 (GPIO) 接口。GPIO 锁存特性也可用于在出现故障时锁存到某个值，比如在高温情况下，可能会指定一个值，用于在故障或导致过热的环境因素期间保护系统。

众所周知，在过去，TEC 需要许多分立式组件来实现必要的闭环控制，而智能 AFE 具有 –40°C 至 125°C 的完整额定工业温度范围，采用 3mm x 3mm 封装，可在单个芯片中提供输入、处理和控制功能。