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智能AFE如何為熱電冷卻控制提供集成模擬解決方案

2023-01-25|23:02|發(fā)布在分類 / 成功案例| 閱讀：57

目前，智能模擬前端(AFE)及其代表的閉環(huán)控制已經(jīng)覆蓋了汽車和工業(yè)市場的廣泛應(yīng)用。

在本文中，我們將詳細(xì)討論一個工業(yè)應(yīng)用，即熱電制冷(TEC)控制。

還包括一些例子來說明如何使用TEC以及智能AFE如何在需要TEC的系統(tǒng)中改進(jìn)TEC的實現(xiàn)。

什么是TEC？

TEC利用了一種叫做帕爾貼效應(yīng)的現(xiàn)象，帕爾貼效應(yīng)是以Jean Charles Athanase Peltier的名字命名的，他在1834年發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)。

他發(fā)現(xiàn)電流通過兩個不同的導(dǎo)體會增加熱交換，使得一個導(dǎo)體的溫度高于環(huán)境溫度，另一個導(dǎo)體的溫度低于環(huán)境溫度。

通常，對于珀耳帖元件(也稱為電池)，當(dāng)電流通過它時，形成散熱側(cè)(熱側(cè))和吸熱側(cè)(冷側(cè))。

這種現(xiàn)象具有非常實際的用途，即通過控制兩個導(dǎo)體之間的電流，可以以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(jiān)測和控制的應(yīng)用示例包括工業(yè)激光打標(biāo)機、體外診斷(IVD)設(shè)備和汽車溫度控制。

雖然珀耳帖效應(yīng)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)100多年了，但是直到1954年，H. Julian Goldsmid才發(fā)現(xiàn)并宣布用半導(dǎo)體代替原來的導(dǎo)電材料會產(chǎn)生更高的溫度梯度。

下圖顯示了如何在電導(dǎo)體和半導(dǎo)體元件之間形成結(jié)，從而使用基于半導(dǎo)體的方法產(chǎn)生TEC的溫度梯度。

需要TEC的元器件或系統(tǒng)釋放的熱量從TEC元件的吸熱側(cè)移動，與散熱側(cè)進(jìn)行熱交換，通過散熱器風(fēng)冷被動冷卻，或者通過散熱器強制風(fēng)冷或水冷主動冷卻。

它是碲化鉍珀耳帖器件中更常用的半導(dǎo)體。

為了產(chǎn)生大的溫差，這些半導(dǎo)體需要具有高導(dǎo)電性和低導(dǎo)熱性。

在哪里以及如何使用TEC？

通常情況下，TEC元件的一側(cè)作為熱側(cè)，另一側(cè)作為冷側(cè)，但有趣的是，如果將原來電流的流向反過來，則兩側(cè)可以互換。

改變電源的極性(如圖1所示)會使帕爾貼元件中的電流方向反向，導(dǎo)致熱端溫度下降，最終變成冷端，冷端或結(jié)通過逐漸加熱變成熱端。

這在工業(yè)醫(yī)療應(yīng)用中快速加熱和冷卻樣品時非常有用。

主動控制流過珀爾帖元件的電流方向可以提高精度和速度，從而可以通過主動控制材料的加熱和冷卻將材料調(diào)節(jié)到設(shè)定溫度。

IVD的許多應(yīng)用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)這些類型測試的醫(yī)療設(shè)備使用TEC將遺傳物質(zhì)樣品加熱到大約85 ℃,然后將樣品冷卻到大約30℃..智能AFE和TEC控制想必，你已經(jīng)知道什么樣的系統(tǒng)可以使用TEC。

如果我們想將這些功能集成到一個集成電路中，我們需要某種感應(yīng)輸入、存儲或處理以及控制輸出。

大多數(shù)設(shè)計者選擇分立實現(xiàn)，選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來感知來自環(huán)境的模擬輸入，選擇微控制器(MCU)或存儲器來處理或?qū)ぶ稟DC輸入，然后MCU或存儲器將相應(yīng)的數(shù)字信息傳輸?shù)綌?shù)?？刂破?DAC)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提供了一個完整的閉環(huán)解決方案，因為它在內(nèi)部集成了這些元件。

滿足這些基本功能后，AFE539A4還能做什么？

AFE539A4可以將其四路輸出重新配置為DAC輸出或ADC輸入進(jìn)行監(jiān)控，以便針對特定應(yīng)用或系統(tǒng)靈活指定通道的功能。

集成DAC提供電壓、電流或脈寬調(diào)制輸出。

下圖顯示了AFE539A4的多功能性，包括集成基準(zhǔn)電壓源、非易失性存儲器、DAC或模擬輸出以及ADC或模擬輸入。

無需單片機即可實現(xiàn)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(cè)所示)以及直接負(fù)溫度系數(shù)對接。

AFE在比例積分控制回路中使用該輸入數(shù)據(jù)，將負(fù)載調(diào)節(jié)至溫度設(shè)定值。

對于與智能AFE的連接和通信，用戶可以選擇I2C接口、串行外設(shè)接口或通用輸入/輸出(GPIO)接口。

發(fā)生故障時，GPIO鎖存功能也可用于鎖存某個值。

例如，在高溫的情況下，可以指定一個值來在故障或?qū)е逻^熱的環(huán)境因素期間保護(hù)系統(tǒng)。

結(jié)論眾所周知，在過去，TEC需要許多分立元件來實現(xiàn)必要的閉環(huán)控制，而智能AFE具有完整的工業(yè)溫度范圍–- 40°C至125°C，采用3mm x 3mm封裝，可以在單個芯片中提供輸入、處理和控制功能。

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