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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(chǎng)的廣泛應(yīng)用。



    在本文中,我們將詳細(xì)討論一個(gè)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(shí)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(gè)不同的導(dǎo)體會(huì)增加熱交換,使得一個(gè)導(dǎo)體的溫度高于環(huán)境溫度,另一個(gè)導(dǎo)體的溫度低于環(huán)境溫度。

    通常,對(duì)于珀耳帖元件(也稱為電池),當(dāng)電流通過它時(shí),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(shí)際的用途,即通過控制兩個(gè)導(dǎo)體之間的電流,可以以可控的方式加熱或冷卻與珀?duì)柼佑|的材料。

    需要溫度監(jiān)測(cè)和控制的應(yīng)用示例包括工業(yè)激光打標(biāo)機(jī)、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(huì)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(dòng),與散熱側(cè)進(jìn)行熱交換,通過散熱器風(fēng)冷被動(dòng)冷卻,或者通過散熱器強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷主動(dòng)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(huì)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(shí)非常有用。

    主動(dòng)控制流過珀?duì)柼碾娏鞣较蚩梢蕴岣呔群退俣?,從而可以通過主動(dòng)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(cè)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(gè)集成電路中,我們需要某種感應(yīng)輸入、存儲(chǔ)或處理以及控制輸出。

    大多數(shù)設(shè)計(jì)者選擇分立實(shí)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(chǔ)器來處理或?qū)ぶ稟DC輸入,然后MCU或存儲(chǔ)器將相應(yīng)的數(shù)字信息傳輸?shù)綌?shù)模控制器(DAC)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)完整的閉環(huán)解決方案,因?yàn)樗趦?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(duì)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(chǔ)器、DAC或模擬輸出以及ADC或模擬輸入。

    無需單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

    這些集成器件支持TEC電流檢測(cè)和補(bǔ)償(如下圖右側(cè)所示)以及直接負(fù)溫度系數(shù)對(duì)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(duì)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(shí),GPIO鎖存功能也可用于鎖存某個(gè)值。

    例如,在高溫的情況下,可以指定一個(gè)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(shí)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(gè)芯片中提供輸入、處理和控制功能。

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