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如何在熱管理系統(tǒng)中集成珀?duì)柼K

丫丫119 ? 來源:未知 ? 作者:肖冰 ? 2019-08-05 09:50 ? 次閱讀

在某些應(yīng)用中,工程師需要將組件冷卻到恒定溫度或低于環(huán)境溫度的工作溫度。熱電模塊,又稱珀?duì)柼K,可以實(shí)現(xiàn)小巧、輕質(zhì)且節(jié)能的熱管理解決方案;但是為了組建最優(yōu)化的熱電系統(tǒng),還需考慮適當(dāng)集成某些器件并改良器件供電。

珀?duì)柼K基礎(chǔ)知識(shí)

熱電模塊運(yùn)用的珀?duì)柼?yīng)以法國科學(xué)家 Jean Peltier 命名。他認(rèn)為電流通過不同導(dǎo)體組成的回路時(shí),會(huì)在導(dǎo)體連接處產(chǎn)生溫差。新型的珀?duì)柼K器件通常包括兩塊外部陶瓷板和內(nèi)部導(dǎo)電層,兩者由 P-N 半導(dǎo)體芯片分隔。這些 P-N 芯片通過電氣連接串聯(lián)在一起,但采用并聯(lián)式熱力學(xué)排列。

對(duì)珀?duì)柼K施加直流電壓后,P 型和 N 型半導(dǎo)體會(huì)吸收一個(gè)表面的熱量,并將其釋放到另一側(cè),從而使發(fā)生吸熱的一側(cè)降溫,而接受熱量的一側(cè)升溫。

請(qǐng)注意,珀?duì)柼?yīng)可用于加熱或冷卻物體。盡管本文著重介紹冷卻應(yīng)用,但加熱應(yīng)用的設(shè)計(jì)考慮因素也大同小異,只是施加電壓的極性、電流方向和通過模塊的熱流方向正好相反。

珀?duì)柼K系統(tǒng)設(shè)計(jì)

珀?duì)柼K將熱量從熱源傳遞到散熱器的示意圖圖 1:珀?duì)柼K將熱量從熱源傳遞到散熱器。(圖片來源:CUI, Inc.

將通電的珀?duì)柼K置于 IC 表面等熱源與散熱器之間,可使 IC 有效冷卻,如圖 1 所示。珀?duì)柼K的低溫側(cè)連接熱源,而高溫側(cè)連接散熱器。請(qǐng)注意,模塊只是將熱量從低溫側(cè)傳遞到高溫側(cè),但不吸收熱量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采用恒定速率將熱量提取到散熱器,或者通過控制所施加的電源,確保器件接觸的表面保持恒定溫度。如有需要,甚至可將該溫度設(shè)為低于環(huán)境溫度。

圖 2 顯示用于冷卻 IC 等組件的系統(tǒng)基本元件。珀?duì)柼K從待冷卻物體中提取熱量,而散熱器不僅要耗散 IC 的熱量,還要耗散珀?duì)柼K中由電流流動(dòng)所產(chǎn)生的熱量。連接 IC 上溫度傳感器的外部反饋回路可控制珀?duì)柼K的電源,從而保持物體的溫度恒定。

帶溫度控制反饋回路的珀?duì)柼K系統(tǒng)示意圖圖 2:帶溫度控制反饋回路的珀?duì)柼K系統(tǒng)。(圖片來源:CUI, Inc.)

選擇珀?duì)柼K時(shí),應(yīng)考慮應(yīng)用的溫度要求,包括模塊所需傳遞的熱量、模塊的最高溫度以及高溫側(cè)的最高溫度。選擇合適的模塊后,即可確定電源要求。

珀?duì)柼K是由受控電流源供電的電流驅(qū)動(dòng)器件;雖然也可使用電壓源,但最好使用電流源。如果模塊旨在連續(xù)提供最大冷卻效果,則可施加恒定電壓(圖 3)。在這種情況下,可以直接在規(guī)格書的特性曲線圖中讀取給定冷卻要求的負(fù)載電流和輸入電壓。CUI 的文章“選擇并使用高級(jí)珀?duì)柼麩犭娎鋮s模塊”中作了詳細(xì)介紹。

由電壓源供電的簡單珀?duì)柼到y(tǒng)示意圖圖 3:由電壓源供電的簡單珀?duì)柼到y(tǒng)。(圖片來源:CUI, Inc.)

另一方面,如果熱負(fù)荷和/或環(huán)境溫度不斷變化,卻要求模塊使組件保持恒定溫度,則需要接入溫度傳感器和反饋回路,如圖 2 所示。

采用較低的環(huán)路帶寬可實(shí)現(xiàn)反饋的靈活性。溫度傳感器可采用熱電偶、固態(tài)溫度傳感器或紅外傳感器,而饋送至電源的數(shù)據(jù)用于調(diào)節(jié)所施加的電壓。如果電源調(diào)節(jié)范圍不夠?qū)挘瑒t可以使用外部 PWM 電路來實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。建議在 PWM 輸出端接入濾波器,使紋波保持在 5% 以下(圖 4),從而確保模塊的性能系數(shù) (COP) 較高,并最大限度地減少對(duì)附近元器件的干擾。發(fā)燒友公眾號(hào)回復(fù)資料可以免費(fèi)獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

用于恒溫控制的珀?duì)柼到y(tǒng)示意圖圖 4:用于恒溫控制的珀?duì)柼到y(tǒng)。(圖片來源:CUI, Inc.)

除了從待冷卻組件提取的熱量外,由于電流流動(dòng),珀?duì)柼K內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生熱量。如果因自熱現(xiàn)象導(dǎo)致模塊的 COP 低于預(yù)期值,那么自熱可能會(huì)是一個(gè)問題;但如果自熱產(chǎn)生的熱量超過模塊的傳熱能力,那就成為必須解決的問題。

因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這兩個(gè)熱源,以便選擇合適的模塊和散熱器,確定其工作電壓和電流的要求。只要組件選型得當(dāng),珀?duì)柼K系統(tǒng)就可以提供出色的解決方案,讓冷卻的組件實(shí)現(xiàn)所需的熱傳遞或目標(biāo)工作溫度。

總結(jié)

珀?duì)柼K可為電子溫度控制提供極為有效的基礎(chǔ)。該模塊小巧、輕質(zhì),且以高 COP 工作時(shí)效率高,還可使用電流源或電壓源進(jìn)行控制。除模塊外,只需少量標(biāo)準(zhǔn)元器件即可構(gòu)建有效的溫度控制解決方案,將器件工作溫度保持在環(huán)境溫度或低于環(huán)境溫度。了解這些器件的使用方法是解決各種項(xiàng)目問題的寶貴技能。CUI 的珀?duì)柼K具有多種性能等級(jí)和尺寸,為設(shè)計(jì)人員提供多種選擇以用于下一個(gè)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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