半導(dǎo)體制冷器(TEC)的驅(qū)動(dòng)與控制

1、.如何控制和補(bǔ)償半導(dǎo)體制冷器 摘要在很多需要精密溫度控制的設(shè)備中經(jīng)?？梢钥吹桨雽?dǎo)體制冷器。對(duì)溫度及其敏感的組件往往與TEC和溫度監(jiān)視器集成到一個(gè)單一熱工程模塊。半導(dǎo)體制冷器也可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)電流而制熱。TEC非常小的體積為精密控制單個(gè)組件 （例如，光纖激光器驅(qū)動(dòng)器，高精度的參考電壓或任何溫度敏感型設(shè)備）的溫度提供了可能。此應(yīng)用手冊(cè)簡(jiǎn)要討論TEC設(shè)計(jì)的起源和歷史，然后概述了TEC基本操作。隨后又說(shuō)明了TEC的控制和補(bǔ)償問(wèn)題。該文最后詳細(xì)分析了TEC控制的優(yōu)化以及優(yōu)化方程。關(guān)鍵字：PID、 DWDM、 SFF、 SFP、 光纖、 激光模塊、 熱電冷卻器，熱電偶、 TEC，溫度控制，熱循環(huán)熱敏電阻簡(jiǎn)介1

2、821年托馬斯 塞貝克發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)不同的材料的導(dǎo)體連在一起，并且兩個(gè)材料各自的溫度不同的時(shí)候，這個(gè)環(huán)路內(nèi)就會(huì)有電流流過(guò)。十二年后，皮爾貼（J.C.Peltier） 發(fā)現(xiàn)了與這一現(xiàn)象相反的效果： 通過(guò)削減環(huán)路中的一個(gè)導(dǎo)體，使外部電流流經(jīng)環(huán)路，然后就可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)連接點(diǎn)之間有溫度差出現(xiàn)，這一現(xiàn)象后來(lái)被稱作皮爾貼效應(yīng)。由于那時(shí)的材料所限，皮爾貼效應(yīng)中材料之間的溫度差有大部分都是大電流流過(guò)材料所產(chǎn)生的電阻熱。隨著近來(lái)材料學(xué)的不斷進(jìn)步，這些連接點(diǎn)制熱或制冷的效應(yīng)越加變得實(shí)用化，它可以作為熱電泵，使用起來(lái)和基于氟碳蒸氣壓縮的制冷方式并沒(méi)有太大的差別。雖然TEC仍然不如氟碳蒸發(fā)循環(huán)設(shè)備更加實(shí)用，但是它沒(méi)有移動(dòng)部

3、件和工作流體，這就為制冷設(shè)備小型化提供了可能?；竟ぷ髟碛捎谄栙N效應(yīng)可以通過(guò)電流線性控制，半導(dǎo)體制冷器（TEC）已經(jīng)在涉及精密溫度控制的設(shè)備中得到了大量的應(yīng)用。溫度敏感型器件、TEC、溫度傳感器被集成到一個(gè)單一的模塊中。 TEC控制需要一個(gè)電平可以翻轉(zhuǎn)的電源以提供正電壓和負(fù)電壓。要想在單電源設(shè)備中做到這一點(diǎn)，那么完全可以使用H橋電路。線性穩(wěn)壓電源總會(huì)有紋波，同時(shí)它的效率非常低，需要大體積的元件并且還要做好熱隔離防止調(diào)整管發(fā)出的熱量加載到制冷器上。但是兩個(gè)有著互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)的同步降壓電路能夠從單電源獲得雙電源，同時(shí)使單一正電源供電有更高的效率。強(qiáng)外加的脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制兩個(gè)輸出電壓，使流經(jīng)

4、TEC的電流改變大小和方向。通過(guò)電流的不斷改變，小體積的TEC可以高精度控制各種分立器件的溫度，如光纖激光驅(qū)動(dòng)器，精密電壓基準(zhǔn)，或任何其它的溫度敏感型器件。也可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)流經(jīng)TEC的電流使它制熱。TEC功率控制MAX1968和MAX1978是一種用來(lái)驅(qū)動(dòng)基于皮爾貼效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器的高集成度H橋PWM開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)芯片。MAX1968是一個(gè)符合成本效益的解決方案，因?yàn)樗闪?個(gè)電源開(kāi)關(guān)控制和PWM控制，它采用28引腳耐熱增強(qiáng)型TSSOP-EP封裝。MAX1978而是48引腳TQFN-EP封裝，它包括MAX1968所有的電路，以及建立熱反饋回路的放大器。 MAX8520和MAX8521分別采用采用

5、20引腳TQFN封裝（MAX8520）和36焊球WLP封裝（MAX8521），提供了最小的PCB封裝解決方案。MAX1978裸露的散熱片使其包裝可耗散熱量高達(dá)3.2W，并且內(nèi)部集成有電壓轉(zhuǎn)換模塊，可以從單一5V電源的到雙極3V，驅(qū)動(dòng)電流3A的電壓。開(kāi)關(guān)頻率可以在500kHz或1MHz切換。獨(dú)立的正和負(fù)輸出電流閾值和電壓閾值控制電路已經(jīng)在芯片上集成，并且可以通過(guò)外部電阻器對(duì)其進(jìn)行設(shè)定。模擬控制信號(hào)精確地設(shè)置流經(jīng)TEC電流的大小而不關(guān)注TEC兩端的電壓。高度集成的MAX1978提供了成本合理，體積合適的驅(qū)動(dòng)控制TEC的解決方案，并且這一方案的控制閉環(huán)只需要一些無(wú)源外部元件。使用控制閉環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)TEC

6、溫度為了達(dá)到精密控制溫度的目的，需要TEC模塊內(nèi)或附近的溫度監(jiān)視器發(fā)送溫度信息與基準(zhǔn)相比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)被放大，并發(fā)送到TEC。 TEC然后制熱或制冷以改變器件溫度，本地監(jiān)控溫度隨之改變從而完成循環(huán)。如同任何控制回路，穩(wěn)態(tài)精度與DC環(huán)路增益密切相關(guān)。由于大量雜散熱量的原因，環(huán)路對(duì)TEC溫度變化的反應(yīng)時(shí)間可能要有幾十秒之多。因此，TEC和監(jiān)控回路需要一個(gè)補(bǔ)償電路以避免振蕩和過(guò)沖。又因?yàn)樽罱K積分器需要大的時(shí)間常數(shù)，很難找到大容量的電容器同時(shí)具有足夠的低泄漏，以實(shí)現(xiàn)高的直流增益。因此，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，最小尺寸的積分電容必須認(rèn)真選擇。要想對(duì)熱閉環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償，就必須理解的TEC模塊的熱響應(yīng)?？?/p>

7、以通過(guò)使用MAX1968或MAX1978作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)器測(cè)量的TEC模塊的低頻響應(yīng)、在該模塊的內(nèi)部的熱敏電阻，或者亞赫茲像能力和網(wǎng)絡(luò)分析儀（如同安捷倫HP3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀）。大多數(shù)激光二極管TEC模塊的性能大都接近雙極型系統(tǒng)（two-pole）的行為的系統(tǒng)。第一極在20mHz，第二極在1Hz。如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)分析儀，那么測(cè)量直流增益時(shí)可認(rèn)為TEC的響應(yīng)極點(diǎn)為20mHz和1Hz。雖然這個(gè)模型是很粗糙的，但是它可以幫助我們了解在完善閉環(huán)時(shí)的極限。由于模塊有一個(gè)緩慢的20mHz的極，頻率上升到1Hz后大約有90度的相移。由此可以看出，第二個(gè)極有一個(gè)潛在的振蕩條件。在制冷模式下的TEC的響應(yīng)如圖1中

8、的實(shí)線圖形所示。由于TEC在同等電流注入下，制熱能力是制冷能力的四倍，制冷制熱頻率響應(yīng)相差大概有6dB。該模塊的其他因素，如散熱，環(huán)境溫度，和內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，也可能改變響應(yīng)曲線。從不同的模塊制造商也會(huì)有不同的反應(yīng)。如果一個(gè)TEC模塊沒(méi)有內(nèi)部的熱敏電阻，所用的TEC和熱敏電阻的頻率響應(yīng)要單獨(dú)測(cè)定。圖1 TEC頻率響應(yīng)補(bǔ)償回路比例積分微分（PID）控制器，如圖2所示，是一個(gè)很好補(bǔ)償方法。在這里可以對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化TEC響應(yīng)。為了達(dá)到高的直流增益，積分器是必要的。在圖2中的積分器是由C2構(gòu)成的，并且積分器添加了響應(yīng)曲線的第三極，R3使得電路更加使得穩(wěn)定。R3插入一個(gè)零到之前的積分單位增益交叉;理想

9、情況下，這應(yīng)該發(fā)生在第一極點(diǎn)20mHz。并且可以推高到70mHz而沒(méi)有任何穩(wěn)定性問(wèn)題。雖然這個(gè)過(guò)程中創(chuàng)建了一個(gè)從20mHz到70mHz的二階響應(yīng)，但是相位從未達(dá)到振蕩條件（180度）。如圖1中的紅色虛線所示。圖2 PID控制器的電路。圖2中由C1，R1和R2形成的差分網(wǎng)絡(luò)，又增加了零點(diǎn)來(lái)抹去第二1Hz的極點(diǎn)。這個(gè)零點(diǎn)提供了額外的相位裕度，使閉環(huán)在在更高的頻率處截止。如圖1中所示的藍(lán)色虛線。雖然具有高環(huán)路帶寬的快速響應(yīng)是不需要的，高DC增益和小電容卻是必不可少的。該補(bǔ)償器使用C3使增益衰減到30Hz，從而減少噪聲注入閉環(huán)。在TEC的應(yīng)用中，這允許閉環(huán)在2Hz交叉，并為閉環(huán)在很寬的范圍內(nèi)提供良好的

10、相位裕度。圖三所示TEC熱閉環(huán)中為2Hz的交叉補(bǔ)償?shù)睦?。盡量選擇高阻值的R3以使積分電容C2盡可能小。然而這種方法也有弊端，它會(huì)使得PID的增益變小。因?yàn)槲覀儽仨氃?0mHz插入一個(gè)零點(diǎn)，我們使用關(guān)系：FZ1 = 1 /（2C2R3）圖3 熱閉環(huán)原理簡(jiǎn)圖前文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，F(xiàn)Z1 = 70mHZ，如果選擇R3 =243k，那么C2 就應(yīng)為9.36F。我們選擇10F設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在我們選擇R1 =10k。這使得前端放大器（U2）有足夠的增益以減少反射積分器（U1）的錯(cuò)誤，同時(shí)保持合理的電容器的尺寸?，F(xiàn)在，我們必須插入一個(gè)零點(diǎn)以抹去第二個(gè)在1Hz的TEC響應(yīng)曲線極點(diǎn)。因?yàn)槲覀兿Ｍ玫搅己玫南辔辉６?，零插入?/p>

11、需的交叉頻率除以至少5或0.4Hz。這給出了一個(gè)在交叉頻率的一個(gè)更好的相位裕度。然后通過(guò)放置由R1創(chuàng)建的、至少5倍于交叉頻率，或者10Hz的極點(diǎn)終止該零點(diǎn)。這限制了積分器的的增益。所以，因?yàn)椋篎Z2 = 1 /（2C1R2）并且FZ2 = 0.4Hz和R2 =510K，我們可以算出C1 =0.78F。我們選擇C1為1F。為了計(jì)算出R1的大小，我們使用關(guān)系：F3 = 1 /（2C1R1）因?yàn)镕3 = 10HZ，C1 =1F，這樣我們可以知道R1 =15.9k。使用10k就可以提供更好的相位裕度。然后，我們必須設(shè)置衰減頻率在30Hz。因?yàn)镽3 =243k，F(xiàn)C = 30Hz，并且：FC= 1 /（

12、2C3R3）我們知道C3 =0.022F?，F(xiàn)在，TEC的響應(yīng)已被優(yōu)化，然后系統(tǒng)的增益必須進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)在2Hz交叉，從圖1中我們可以看到，在2Hz的未補(bǔ)償產(chǎn)地函數(shù)中（圖中實(shí)線1）具有-30dB的增益。如果我們希望有一個(gè)2Hz的單位增益交叉，我們必須在2Hz處提供+30 dB的增益。由于U1及其組成部分在2Hz有增益，我們必須在所需的系統(tǒng)增益總額中減去此增益從而找到前端增益。U1的增益由R3和C1決定。在2Hz處，R1、R2、C2和C3完全可以忽略。C1在2Hz阻抗可以由下式獲得，即：XC =-j /（2FCC1）因?yàn)镃1 = 1F，F(xiàn)C = 2Hz，那么：XC = j79.6kU1的幅度增益G為

13、：G = | R3 / XC |由于R3 =243k，XC =j79.6k，G = 3.05或9.7分貝。要想對(duì)此增益進(jìn)行全面的分析，就不應(yīng)忽視R1、R2、C2和C3，此時(shí)G = 3.11或9.8分貝，從而驗(yàn)證了我們的假設(shè)?，F(xiàn)在，我們必須在前端再提供20.3分貝的增益以完成2Hz處的增益交叉。前端增益部分有兩個(gè)功能：它減少積分器U1產(chǎn)生的誤差，和采集從熱敏電阻傳來(lái)的溫度信息。 由R4、R5和U2（圖3）所設(shè)定的直流增益需要足夠高以防止該誤差信號(hào)被PID補(bǔ)償電路消除。由于R4 =10k，R5 =100k，那么前端增益是11或20.8分貝，足以壓倒9.7分貝的PID補(bǔ)償部分。從熱敏電阻傳來(lái)的溫度讀

14、數(shù)以誤差信號(hào)的形式被傳遞給PID控制部分。該誤差信號(hào)表示的是實(shí)際溫度和所需溫度（設(shè)定值）之間的差異。U2輸出的誤差信號(hào)可以按照下式計(jì)算：這里的1.5V是通過(guò)10k的電阻器連接到熱敏電阻的參考值，RT是電阻熱敏電阻，VSET是電壓設(shè)定點(diǎn)。調(diào)節(jié)TEC溫度的熱閉環(huán)整個(gè)環(huán)路以及補(bǔ)償值的例子如圖3所示。通過(guò)了解在一個(gè)給定的溫度下RT阻值的大小，可根據(jù)需要選擇設(shè)定VSET的值，然后自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度。此處使用一個(gè)跳線可選式數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）或電位器來(lái)控制VSET。通過(guò)發(fā)送誤差信號(hào)到PID調(diào)節(jié)補(bǔ)償部分，然后它控制輸入到到TEC驅(qū)動(dòng)器的模擬信號(hào)，直到溫度誤差信號(hào)接近0，由此，器件的溫度得以調(diào)節(jié)。由于PID補(bǔ)

15、償部分有著良好的相位裕度，該電路足以應(yīng)對(duì)TEC增益在加熱或冷卻模式的變化。組件的選擇該電路的組件選擇將取決于所需的應(yīng)用程序的具體要求。MAX1978提供有這種設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需要的片上放大器。如果使用MAX1968，MAX8520，或MAX8521的話，那么就需要使用一個(gè)具有低失調(diào)電壓漂移的運(yùn)算放大器，例如MAX4477ASA就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。由于上面的熱敏電阻的信號(hào)電平比較低，電路中熱敏電阻的信號(hào)應(yīng)該使用屏蔽線。 U1應(yīng)該選用超低漏電電流的型號(hào)，以避免高電路阻抗所產(chǎn)生的直流漂移。 MAX4475ASA運(yùn)算放大器的漏電電流僅僅只有150pA（最大值），所以它確實(shí)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。 U1周圍的元

16、件，特別是C2和C3，應(yīng)選擇具有最高的漏電阻的型號(hào)，C2需要盡可能最低的熱漂移。聚苯乙烯薄膜電容器是最好的選擇，但他們是非常龐大和昂貴。陶瓷電容器一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但較大的值可能會(huì)泄漏到足以引起增益誤差。不要使用電解電容或鉭電容器。U1反向端引腳的周圍和下面應(yīng)放置一個(gè)帶有PC板的保護(hù)環(huán)，并且它的組件應(yīng)該被連接到U1的同相端。保護(hù)環(huán)攔截任何可能引起求和誤差的雜散電流。助焊劑，濕氣，和玻璃纖維印刷電路板可以引起漏電流的問(wèn)題，而保護(hù)環(huán)可以改善這些影響。保形涂層板及其組件可以幫助防止污染物干擾電路的性能。TEC控制回路的測(cè)試控制回路可以通過(guò)單位階躍函數(shù)來(lái)測(cè)試。一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度設(shè)定點(diǎn)的變化應(yīng)使熱敏電阻有所反應(yīng)，并使得新的溫度設(shè)定點(diǎn)與之前相比有著非常小的過(guò)沖。如果階躍響應(yīng)觀察到振鈴現(xiàn)象，表示在交叉頻率相位裕度比較差。通過(guò)記錄振鈴頻率和振鈴次數(shù)，可對(duì)直流增益（交叉頻率）或者補(bǔ)償電路進(jìn)行調(diào)整，直至得到得到一個(gè)令人滿意的結(jié)果。通過(guò)使用這種方法與一些TEC行為的觀察，一個(gè)TEC的閉環(huán)可以在未經(jīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的情況下得到補(bǔ)償。即使有了網(wǎng)絡(luò)分析儀的幫助，該系統(tǒng)應(yīng)該在制冷和制熱兩種模式下利用階躍響應(yīng)的方法進(jìn)行測(cè)試。在制冷模式下加熱，在加熱模式下的制冷是系統(tǒng)環(huán)境最為惡劣的情況。 閉環(huán)中的直流誤差可以通過(guò)輸入電阻為1G的一個(gè)6位數(shù)計(jì)進(jìn)行測(cè)量，例如可以利用Agilent 34401A來(lái)測(cè)定設(shè)定值和熱