本文介紹了一種熱電冷卻器 （TEC） 溫度控制器，用于將半導(dǎo)體激光管（或其他組件）的溫度保持在 0.1°C 以內(nèi)

為什么要控制組件溫度

對于大多數(shù)電子系統(tǒng)，精度受環(huán)境溫度變化的影響。我們可以通過將關(guān)鍵組件的局部溫度限制在較窄的范圍內(nèi)來提高精度。這種方法的適當(dāng)應(yīng)用包括高性能晶體、表面聲波 （SAW） 濾波器、光子放大器和激光二極管。

烤箱與冷卻器

穩(wěn)定組件溫度的一種方法是將組件封裝在固定溫度的烘箱中。為了提供一定的調(diào)節(jié)余量，所選溫度在所有條件下都應(yīng)高于環(huán)境溫度。該方案被廣泛使用，特別是在設(shè)計(jì)極其穩(wěn)定的時鐘時，例如烤箱控制的晶體振蕩器（OCXO）。

使用高溫有一些缺點(diǎn)。首先，性能可能會在幾個方面略有下降，包括噪聲系數(shù)、速度和壽命。其次，即使環(huán)境溫度處于其范圍的中間，調(diào)壓閥也會消耗功率進(jìn)行加熱。當(dāng)環(huán)境溫度處于其范圍的下限時，需要兩倍的功率。第三，達(dá)到穩(wěn)定溫度所需的時間可能相當(dāng)長，尤其是在可用電力有限的情況下。

熱電冷卻器（TEC）技術(shù)越來越受歡迎，因?yàn)樗试S您在工作溫度范圍的中間選擇一個調(diào)節(jié)的溫度值。TEC既可以作為熱泵運(yùn)行，也可以作為熱發(fā)生器運(yùn)行，具體取決于電流流動的方向。一些系統(tǒng)僅使用TEC的冷卻特性（例如冰箱單元和強(qiáng)大處理器的冷卻）。其他應(yīng)用采用兩種熱流模式（晶體振蕩器和SAW濾波器）。為了緩解前面描述的問題，溫度通常調(diào)節(jié)在其工作范圍的中間。

此處描述的TEC溫度控制器將半導(dǎo)體激光管保持在0.1°C以內(nèi)。 工作條件包括 -5°C 至 +70°C 的環(huán)境溫度、在整個功率范圍內(nèi)工作的半導(dǎo)體激光管，以及受紋波影響的低值 （3.3V） 電源。由于小封裝尺寸不允許太多散熱，因此電源效率應(yīng)盡可能高。

許多應(yīng)用的要求要低得多，因此讀卡器可以根據(jù)需要自由修改和簡化此溫度調(diào)節(jié)器。

什么是技術(shù)技術(shù)？

熱電冷卻器由多個半導(dǎo)體結(jié)組成，這些半導(dǎo)體結(jié)串聯(lián)并在兩個板之間粘合。這些板必須是良好的熱導(dǎo)體和良好的電絕緣體。陶瓷材料滿足了這一困難而矛盾的要求。一塊板與環(huán)境溫度熱連接，另一塊板連接到要調(diào)節(jié)溫度的物體。由于珀?duì)柼?yīng)，通過結(jié)點(diǎn)的電流在板之間產(chǎn)生溫差，其極性和大小取決于電流的極性和大小。相對于環(huán)境溫度，可以加熱或冷卻物體。當(dāng)今的技術(shù)允許高達(dá)84°C的溫差，級聯(lián)布置會產(chǎn)生更高的溫差。

什么是 NTC？

負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 電阻器是一種對溫度敏感的器件，其電阻隨溫度升高而減小。在可用的多種類型的NTC組件中，采用陶瓷粉末工藝制造的NTC組件在響應(yīng)溫度的微小變化時表現(xiàn)出最大的電阻變化。更重要的是，一些陶瓷NTC在適當(dāng)老化后，在其使用壽命內(nèi)提供0.05°C的穩(wěn)定性。與其他溫度傳感器相比，陶瓷NTC的尺寸可能小得驚人。

NTC用于恒溫控制器，即使在當(dāng)今極低的電源電壓下偏置時，也能提供高靈敏度（參見陶瓷NTC傳感器的靈敏度部分）。對于0.03mV失調(diào)，放大器失調(diào)引起的絕對誤差接近0.75°C，而在自由空氣中，NTC自熱引起的誤差為0.06°C。（對于完全嵌入并被要測量溫度的材料封閉的傳感器，誤差僅為要測量材料的一半。幸運(yùn)的是，我們不關(guān)心絕對溫度誤差，而只關(guān)心該誤差在工作溫度范圍內(nèi)的變化。這種變化通常比絕對誤差小一個數(shù)量級。

監(jiān)管策略

當(dāng)受到熱通量的影響時，大多數(shù)系統(tǒng)（即使是小系統(tǒng)）在其溫度開始穩(wěn)定之前表現(xiàn)出令人印象深刻的延遲。達(dá)到給定溫度梯度的63.2%所需的時間稱為熱時間常數(shù)，通常范圍為5s到200s。因此，對于電子工程師來說，與溫度調(diào)節(jié)器操作相關(guān)的時間常數(shù)似乎非常長。這里討論的系統(tǒng)具有大約40s的熱時間常數(shù)，與電源電壓中可能的瞬態(tài)相比，這確實(shí)很慢。

為了能夠響應(yīng)電源電壓的任何變化，該設(shè)計(jì)包括兩條并行反饋路徑（圖 2）。TEC的一個陶瓷板與感興趣的物體（在這種情況下是激光二極管）緊密接觸，另一個板允許將熱量傳遞到外部環(huán)境溫度。這種傳熱應(yīng)盡可能暢通無阻，如有必要（當(dāng)遇到高功率水平時），應(yīng)由鼓風(fēng)機(jī)輔助。由于一定程度的連續(xù)漏熱是不可避免的，因此需要相應(yīng)量的電力來補(bǔ)償平衡時的泄漏。

圖2.帕爾貼控制器框圖。

為了盡量減少局部溫度下降引起的誤差，溫度檢測點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近物體（NTC的小尺寸非常方便）。在惠斯通電橋內(nèi)比較測量的溫度和所需溫度。放大器（A）不僅可以放大誤差信號，還可以提供穩(wěn)定外部閉環(huán)所需的頻率相位和增益校正。在任何時刻，它都會向內(nèi)回路提供達(dá)到適當(dāng)溫度所需的TEC電流值。該請求由非常慢的信號表示，該信號無法對電源電壓的快速變化做出反應(yīng)。

內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)進(jìn)入TEC的電流，并且必須使用開關(guān)穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生最少的過量熱量。由于高于 3% 的電流紋波會降低 TEC 的冷卻效率，因此建議使用高開關(guān)頻率，以便于對交流組件進(jìn)行濾波。頻率越高，無源元件越小。內(nèi)環(huán)路帶寬必須足以響應(yīng)抗正常濾波的紋波和電源瞬變。以下討論詳細(xì)介紹了控制器的每個功能塊。

H 橋

功率級必須能夠?yàn)門EC提供兩極電流：一種用于冷卻，另一種用于加熱。對于單極性電源，通過“H”橋?qū)崿F(xiàn)此目標(biāo)。當(dāng)H橋各支路的電壓相等（大約在中間電源電壓時），電橋是平衡的，沒有電流可以循環(huán)到TEC中。該原理也適用于線性和開關(guān)H橋。

圖3顯示了PWM H橋的結(jié)構(gòu)。電橋的左腿由兩個由互補(bǔ)信號DH和DL驅(qū)動的n溝道MOSFET組成。為了在U1的上部晶體管導(dǎo)通時提供足夠的柵極幅度，DH信號以LX為參考。此時DH比LX高約3V，LX切換到3.3V電源。因此，DH信號幅度在其高狀態(tài)下超過6V。

圖3.電源 H 橋和 TEC 電流檢測。

DL信號不需要這種升壓，在0V和3.3V之間切換。由于右腿中的MOSFET與左腿中的相應(yīng)MOSFET以相反的相位驅(qū)動，因此DH信號現(xiàn)在驅(qū)動下部晶體管Q2。DL信號不會升壓到6V，因此無法使用n-MOSFET作為右上方的晶體管Q1。必須使用p溝道晶體管，由與下部晶體管Q2相同的DH信號驅(qū)動。為了避免任何交叉?zhèn)鲗?dǎo)的可能性，選擇下部晶體管Q2（Si2304）是因?yàn)槠涓唛撝担ㄗ钚≈禐?.6V），而上部晶體管Q1（Si2305）至少需要0.85V的柵極驅(qū)動才能導(dǎo)通。因此，對于低于3.45V的電源電壓，兩個晶體管不能同時導(dǎo)通。DH信號升壓至6V，因此較低晶體管Q2的高閾值不會產(chǎn)生任何損失。

MOSFET晶體管包含本征二極管，其較長的恢復(fù)時間會影響效率。為了防止這些二極管中的導(dǎo)通，在四個MOSFET上增加了四個肖特基二極管（D1-D4）。小型0.5A封裝就足夠了，因?yàn)樾ぬ鼗O管僅在短時間內(nèi)導(dǎo)通。

H 橋的每一側(cè)驅(qū)動一個低通濾波器，該濾波器由一個 10μH 電感和一個 10μF 陶瓷電容器組成，該電容為 TEC 供電。TEC兩端的附加10μF消除了差分模式下殘留尖峰的可能性。不必過大電感器。勝美達(dá)?型號 CDRH6D28 采用 10.6mm x 7.6mm 和 7mm 厚的封裝，可提供 3μH 的電流。插入一個20mΩ分流器，用于測量TEC電流。粗濾波（7.5Ω和1μF）通過消除大部分開關(guān)頻率紋波，提供干凈的20mV/A信號。

信號由MAX32放大器差分放大4122倍。該放大器需要軌到軌輸入能力，因?yàn)檩斎牍材ｋ妷航橛诘睾碗娫措妷褐g。增加了一個 1.1V 的失調(diào)電壓，以允許單極性電源。然后，輸出指示 1.1V 表示零電流條件，并以每安培 635mV 的靈敏度向任一側(cè)偏向 TEC 的電流。 額外的濾波消除了殘留的高頻紋波。

脈寬調(diào)制控制器

穩(wěn)壓器的核心是 PWM 控制器（圖 4）。當(dāng)與低閾值外部MOSFET配合使用時，該電路在低至3.15V的電源電壓下工作得非常好。MAX1637雖然主要不是為雙向電流調(diào)節(jié)而設(shè)計(jì)的，但已為此進(jìn)行了修改。它提供兩個互補(bǔ)信號DH和DL，在本例中切換頻率為200kHz。自動插入 60ns 死區(qū)時間以避免外部晶體管之間的交叉導(dǎo)通，但/SKIP 引腳應(yīng)連接至 V抄送以確保DH和DL之間的互補(bǔ)性。

圖4.PWM 控制器和求和節(jié)點(diǎn)。

浮柵驅(qū)動器輸出DH提供足夠的電壓，使n溝道大腿器件飽和。它由升壓二極管D5偏置，升壓二極管D1在DL處于活動狀態(tài)時為1μF儲能電容（C96）充電。占空比不超過1%，因此C0始終充電。在另一個極端，占空比可以達(dá)到<>%。該電路利用了這種不對稱性，保留了低占空比區(qū)域用于冷卻，而冷卻需要的功率最大。

MAX1637為電流模式控制器，能夠檢測進(jìn)入負(fù)載的電流，但設(shè)計(jì)用于接收應(yīng)用中存在的雙向電流。因此，通過將引腳CSL和CSH連接到1%內(nèi)部基準(zhǔn)REF來禁用此功能。該基準(zhǔn)電壓源為方便起見，特別是當(dāng)電壓橋由更精確的電源供電時。對于干凈的啟動，/SHDN （關(guān)斷）引腳應(yīng)由外部電源驅(qū)動，或由復(fù)位電路（如MAX6326XR31）本地產(chǎn)生。

MAX4250精密放大器執(zhí)行節(jié)點(diǎn)求和功能。MAX1637的欠壓和過壓保護(hù)在FB輸入超出正常工作電壓范圍時觸發(fā)。電壓范圍由二極管D6和驅(qū)動FB節(jié)點(diǎn)的阻性網(wǎng)絡(luò)削波。放大器“B”為內(nèi)部環(huán)路引入一個補(bǔ)償極點(diǎn)，100nF電容確保在LC H橋?yàn)V波器引入過多相位滯后的頻率之前獲得單位增益。

橋式放大器

該功能由兩個串聯(lián)的精密放大器（MAX4250各兩個）實(shí)現(xiàn)，配置為反相模式。人們應(yīng)該抵制將這些放大器安裝在同一封裝中的誘惑，因?yàn)樗鼈兛赡茉诟哳l下呈現(xiàn)高增益。它們之間應(yīng)保持謹(jǐn)慎的距離，以消除任何可能的耦合。（精度較低的控制器只需一個放大器即可輕松完成這項(xiàng)工作。

圖5給出了大多數(shù)情況下所需的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。高精度溫度調(diào)節(jié)器以高開環(huán)增益工作以確保精度，但這種情況可能會影響穩(wěn)定性。對閉環(huán)中每個極點(diǎn)的仔細(xì)評估必須包括影響極點(diǎn)的所有參數(shù)（元件值等）的最壞情況變化。在這種情況下，主導(dǎo)極（由系統(tǒng)的熱質(zhì)量引起）的時間常數(shù)約為40s±10s。下一個最高極點(diǎn)是由NTC傳感器引起的。NTC 時間常數(shù)的范圍從 100ms 到 3s，具體取決于型號。

圖5.惠斯通電橋補(bǔ)償和放大。

這兩個低通濾波器極點(diǎn)（顯性+NTC）串聯(lián)，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，顯然會損害閉環(huán)穩(wěn)定性。第三個重要極點(diǎn)與固有環(huán)路的時間常數(shù)有關(guān)，該時間常數(shù)應(yīng)盡可能小，以獲得良好的電源電壓抑制。由于以下其他極點(diǎn)（由于LC H橋?yàn)V波器和差分濾波器）的頻率并不高，因此明智的做法是將外部環(huán)路的單位增益設(shè)置在第三極以下。實(shí)際模型可能更加復(fù)雜，因?yàn)轳詈峡赡馨l(fā)生在熱敏打印頭內(nèi)。一些耦合是不可避免的，因?yàn)闆]有辦法像我們對電阻電子路徑那樣隔離熱塊。

上面解釋了為什么為你能想象到的最困難的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)是明智的，然后盡可能簡化設(shè)計(jì)。可以建議一些提示。我們注意到為 R36 選擇了相當(dāng)高的值，這確保了即使在高頻下也不會加載電橋。電容 C32 可確保在極低頻率下獲得可喜的超額增益。然后選擇電阻R38，使C32/R38極與40s熱極重合。為了有效，C32必須在最高工作溫度下具有非常高的絕緣電阻。

金屬化聚酯 （PET） 電容器在 +5000°C 時可提供高達(dá) 20s 的時間常數(shù)，但該值會隨著溫度的升高而迅速下降。聚萘甲酸乙二醇酯（PEN）是高溫下更好的材料。顯然，在為此類高阻抗元件設(shè)計(jì)印刷電路時，必須采取嚴(yán)格的預(yù)防措施。在高阻抗磁道之間提供較大的間隔，并添加清漆等絕緣層以防止可能的冷凝。

電橋由2.75V的精確基準(zhǔn)電壓供電，該基準(zhǔn)電壓也會偏置系統(tǒng)中的所有放大器。MAX6012精密基準(zhǔn)的最大溫度系數(shù)為20ppm/°C。對于每個溫度誤差，模塊輸出（標(biāo)稱值為1.1V）都需要一些正電流或負(fù)電流。電阻分壓器 R43/R42 允許您通過為加熱需求和冷卻需求設(shè)置不同的最大限值來保護(hù) TEC。最小輸出電壓將接近于零（得益于U4的軌到軌能力），所示電阻值產(chǎn)生約2V的最大電壓。電路靈敏度為635mV/A時，冷卻的最大電流為1.65A，加熱最大電流為1.4A。

效率結(jié)果

溫度控制器與超微型模塊中的等效1.5Ω TEC相關(guān)聯(lián)。最大加熱和冷卻電流分別限制為1.6A和1.4A，相當(dāng)于3.84W的可用冷卻功率。為了在可用的微小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)可接受的效率，已經(jīng)做出了嚴(yán)重的妥協(xié)。組件高度不應(yīng)大于 3.5 毫米。8層印刷電路中的銅厚度僅為17μm，這是相當(dāng)電阻的。此外，在受阻區(qū)域放置元件時，必須使用長而有損的連接。

盡管存在這些限制，但該電路仍具有可觀的效率（圖 6）。曲線為藍(lán)色表示冷卻，紅色表示加熱，黃色表示線性控制器。僅考慮電效應(yīng)，測量是用1.71Ω的實(shí)際電阻而不是TEC進(jìn)行的。我們注意到，開關(guān)模式（相對于線性）控制在整個電流范圍內(nèi)提供了更高的效率。因此，開關(guān)模塊能夠在給定的輸入功率水平下提供更大的冷卻或接受更高的環(huán)境溫度（類似于加熱）。

圖6.效率曲線基于圖 3、4 和圖 5。

冷卻和加熱的功率相似，但由于R低，冷卻效率略好一些德森在p溝道MOSFET Q1中（圖3）。在0.8A和1.6A之間，效率幾乎持平，為84%，這意味著開關(guān)和偏置損耗很低，在該電流區(qū)域幾乎沒有影響。在高電平電流下，控制器的等效輸出電阻（約330mΩ）主要由印刷電路和連接器組成。

溫度穩(wěn)定性結(jié)果

該模塊在-5°C至+70°C范圍內(nèi)進(jìn)行了測試。 由于激光二極管波長以已知且準(zhǔn)確的方式對溫度敏感，因此可以在工作溫度范圍內(nèi)驗(yàn)證二極管溫度在±0.1°C以內(nèi)的穩(wěn)定性。

優(yōu)化提示

印刷電路走線可以占高電流損耗的很大一部分。如果可能，請使用35μm或更大的銅層。此外，在可能的情況下，使用多層為大電流創(chuàng)建并聯(lián)走線，并將姊妹走線與大量過孔連接起來，以減少寄生電阻。對接地層使用相同的技巧，這可以從使用未使用區(qū)域中的所有可用層中受益。

最敏感的電路是橋式放大器。應(yīng)避免由于接地層壓降而導(dǎo)致的共模電壓誤差。在高電流水平下很容易累積毫伏誤差：在1.6A時，誤差應(yīng)低于2.7mV （0.1°C）。提供大的銅表面用于冷卻MOSFET功率晶體管，因?yàn)樗鼈兊腞德森隨著溫度的增加而迅速增加。如果電感高度允許4mm或更大，勝美達(dá)CDRH6D38（與CDRH6D28相同）可以節(jié)省約50mΩ的串聯(lián)電阻。最后，使用強(qiáng)鐵氧體磁珠濾波來消除輸入電源的反向污染。與傳統(tǒng)電感的行為相反，磁珠中的耗散（損耗）在直流時較低，但隨頻率增加而增加。

陶瓷NTC傳感器的靈敏度

惠斯通電橋非常適合恒溫控制器，因?yàn)橄到y(tǒng)只試圖保持零誤差（Vs）在兩條腿的電壓之間。幾乎無需考慮線性度、增益精度或電源電壓（Ve） 靈敏度，提供誤差信號 Vs由高增益和高輸入阻抗的放大器處理，其失調(diào)在整個溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。為了允許使用與溫度相對變化相匹配的橋式電阻，電橋偏置電壓Vn通常設(shè)置在 V 附近e/2.

圖7.惠斯通電橋。

盡管“斯坦哈特-哈特”方程以更高的精度預(yù)測NTC行為，但給定溫度周圍的微小變化更簡單地通過給定NTC的β（材料常數(shù)，單位均勻到°C）來建模。

鑒于 R0是給定參考溫度 T 下的電阻0，NTC電阻RT在溫度下，T可以從方程中以可接受的精度推導(dǎo)出來

RT = R0 exp[β（1/T - 1/T0）]。

取其導(dǎo)數(shù)，我們得到

dRT = R0 exp[β（1/T - 1/T0）] × （-β/T2）dT，

并且通過結(jié)合前兩個結(jié)果，導(dǎo)致

dRT/RT = -β/T2dT.

惠斯通電橋在接近平衡時運(yùn)行，其中

R30 = R31 = R1 和 R32 ? NTC = RT

輕微變化 （dT） 會產(chǎn)生 RT 的變化 dRT，從而產(chǎn)生 Vs（圖 7）：

VS = -Ve × R1/(R1 + RT)2dRT

通過結(jié)合公式1，我們得到

VS/dT = β/T2 × Ve[R1 RT/（R1 + RT）2]。

最后一項(xiàng)可以識別為等于 Vn （Ve - Vn）/Ve so

VS/dT = β/T2 × Vn(Ve - Vn)/Ve

很容易推導(dǎo)出來，一旦Ve和 Vn與適當(dāng)?shù)?NTC 一起選擇。例如，考慮激勵電壓為 V 的電橋e2.75V。為了消除與積分電容器充電相關(guān)的長延遲，Vn選擇等于MAX1637基準(zhǔn)電壓（1.1V）。10°C時NTC熱敏電阻為25kΩ，在+3892°C環(huán)境溫度（35K）下β為308°C。因此，我們可以指望輸入靈敏度V。s/dT = 27mV/°C。

為了保證0.1°C的穩(wěn)定性，電子器件的失調(diào)變化必須遠(yuǎn)小于2.7mV，而使用高性能放大器可以輕松實(shí)現(xiàn)。例如，MAX4250絕對失調(diào)保證在-0°C至+75°C溫度范圍內(nèi)小于40.85mV。 溫度穩(wěn)定性僅與失調(diào)變化有關(guān)，在整個溫度范圍內(nèi)通常為0.3μV/°C。這意味著±10°C的溫度偏移變化為±5.35μV，對應(yīng)于±0.004°C的典型誤差！

NTC自發(fā)熱引起的誤差與其耗散常數(shù)（DC）有關(guān)。偏置在10.1V時的1kΩNTC功耗約為0.12mW。典型直流電為 2mW/°C（在自由空氣中）時，自熱溫度為 0.06°C。 但同樣，只有當(dāng)施加的電壓發(fā)生變化時，溫度穩(wěn)定性才值得關(guān)注，這在本應(yīng)用中不太可能。

審核編輯：郭婷