半导体制冷器(TEC)的驱动与控制

如何控制和补偿半导体制冷器摘要在很多需要精密温度控制的设备中经常可以看到半导体制冷器。对温度及其敏感的组件往往与TEC和温度监视器集成到一个单一热工程模块。半导体制冷器也可以通过翻转电流而制热。TEC非常小的体积为精密控制单个组件（例如，光纤激光器驱动器，高精度的参考电压或任何温度敏感型设备）的温度提供了可能。此应用手册简要讨论TEC设计的起源和历史，然后概述了TEC基本操作。随后又说明了TEC的控制和补偿问题。该文最后详细分析了TEC控制的优化以及优化方程。关键字：PID、DWDM、SFF、SFP、光纤、激光模块、热电冷却器，热电偶、TEC，温度控制，热循环热敏电阻简介1821年托马斯·塞贝克发现，两个不同的材料的导体连在一起，并且两个材料各自的温度不同的时候，这个环路内就会有电流流过。十二年后，皮尔贴（J.C.Peltier）发现了与这一现象相反的效果：通过削减环路中的一个导体，使外部电流流经环路，然后就可以发现两个连接点之间有温度差出现，这一现象后来被称作皮尔贴效应。由于那时的材料所限，皮尔贴效应中材料之间的温度差有大部分都是大电流流过材料所产生的电阻热。随着近来材料学的不断进步，这些连接点制热或制冷的效应越加变得实用化，它可以作为热电泵，使用起来和基于氟碳蒸气压缩的制冷方式并没有太大的差别。虽然TEC仍然不如氟碳蒸发循环设备更加实用，但是它没有移动部件和工作流体，这就为制冷设备小型化提供了可能。基本工作原理由于皮尔贴效应可以通过电流线性控制，半导体制冷器（TEC）已经在涉及精密温度控制的设备中得到了大量的应用。温度敏感型器件、TEC、温度传感器被集成到一个单一的模块中。TEC控制需要一个电平可以翻转的电源以提供正电压和负电压。要想在单电源设备中做到这一点，那么完全可以使用H桥电路。线性稳压电源总会有纹波，同时它的效率非常低，需要大体积的元件并且还要做好热隔离防止调整管发出的热量加载到制冷器上。但是两个有着互补驱动的同步降压电路能够从单电源获得双电源，同时使单一正电源供电有更高的效率。强外加的脉冲宽度调制（PWM）控制两个输出电压，使流经TEC的电流改变大小和方向。通过电流的不断改变，小体积的TEC可以高精度控制各种分立器件的温度，如光纤激光驱动器，精密电压基准，或任何其它的温度敏感型器件。也可以通过翻转流经TEC的电流使它制热。TEC功率控制MAX1968和MAX1978是一种用来驱动基于皮尔贴效应的半导体制冷器的高集成度H桥PWM开关式驱动芯片。MAX1968是一个符合成本效益的解决方案，因为它集成了4个电源开关控制和PWM控制，它采用28引脚耐热增强型TSSOP-EP封装。MAX1978而是48引脚TQFN-EP封装，它包括MAX1968所有的电路，以及建立热反馈回路的放大器。MAX8520和MAX8521分别采用采用20引脚TQFN封装（MAX8520）和36焊球WLP封装（MAX8521），提供了最小的PCB封装解决方案。MAX1978裸露的散热片使其包装可耗散热量高达3.2W，并且内部集成有电压转换模块，可以从单一5V电源的到双极±3V，驱动电流3A的电压。开关频率可以在500kHz或1MHz切换。独立的正和负输出电流阈值和电压阈值控制电路已经在芯片上集成，并且可以通过外部电阻器对其进行设定。模拟控制信号精确地设置流经TEC电流的大小而不关注TEC两端的电压。高度集成的MAX1978提供了成本合理，体积合适的驱动控制TEC的解决方案，并且这一方案的控制闭环只需要一些无源外部元件。使用控制闭环来调节TEC温度为了达到精密控制温度的目的，需要TEC模块内或附近的温度监视器发送温度信息与基准相比较，产生一个误差信号。该误差信号被放大，并发送到TEC。TEC然后制热或制冷以改变器件温度，本地监控温度随之改变从而完成循环。如同任何控制回路，稳态精度与DC环路增益密切相关。由于大量杂散热量的原因，环路对TEC温度变化的反应时间可能要有几十秒之多。因此，TEC和监控回路需要一个补偿电路以避免振荡和过冲。又因为最终积分器需要大的时间常数，很难找到大容量的电容器同时具有足够的低泄漏，以实现高的直流增益。因此，要实现稳定，最小尺寸的积分电容必须认真选择。要想对热闭环进行补偿，就必须理解的TEC模块的热响应。可以通过使用MAX1968或MAX1978作为一个驱动器测量的TEC模块的低频响应、在该模块的内部的热敏电阻，或者亚赫兹像能力和网络分析仪（如同安捷伦®HP3562A动态信号分析仪）。大多数激光二极管TEC模块的性能大都接近双极型系统（two-pole）的行为的系统。第一极在20mHz，第二极在1Hz。如果没有网络分析仪，那么测量直流增益时可认为TEC的响应极点为20mHz和1Hz。虽然这个模型是很粗糙的，但是它可以帮助我们了解在完善闭环时的极限。由于模块有一个缓慢的20mHz的极，频率上升到1Hz后大约有90度的相移。由此可以看出，第二个极有一个潜在的振荡条件。在制冷模式下的TEC的响应如图1中的实线图形所示。由于TEC在同等电流注入下，制热能力是制冷能力的四倍，制冷制热频率响应相差大概有6dB。该模块的其他因素，如散热，环境温度，和内部产生的热量，也可能改变响应曲线。从不同的模块制造商也会有不同的反应。如果一个TEC模块没有内部的热敏电阻，所用的TEC和热敏电阻的频率响应要单独测定。图1TEC频率响应补偿回路比例积分微分（PID）控制器，如图2所示，是一个很好补偿方法。在这里可以对电路进行调整优化TEC响应。为了达到高的直流增益，积分器是必要的。在图2中的积分器是由C2构成的，并且积分器添加了响应曲线的第三极，R3使得电路更加使得稳定。R3插入一个零到之前的积分单位增益交叉;理想情况下，这应该发生在第一极点20mHz。并且可以推高到70mHz而没有任何稳定性问题。虽然这个过程中创建了一个从20mHz到70mHz的二阶响应，但是相位从未达到振荡条件（180度）。如图1中的红色虚线所示。图2PID控制器的电路。图2中由C1，R1和R2形成的差分网络，又增加了零点来抹去第二1Hz的极点。这个零点提供了额外的相位裕度，使闭环在在更高的频率处截止。如图1中所示的蓝色虚线。虽然具有高环路带宽的快速响应是不需要的，高DC增益和小电容却是必不可少的。该补偿器使用C3使增益衰减到30Hz，从而减少噪声注入闭环。在TEC的应用中，这允许闭环在2Hz交叉，并为闭环在很宽的范围内提供良好的相位裕度。图三所示TEC热闭环中为2Hz的交叉补偿的例子。尽量选择高阻值的R3以使积分电容C2尽可能小。然而这种方法也有弊端，它会使得PID的增益变小。因为我们必须在70mHz插入一个零点，我们使用关系：FZ1=1/（2π×C2×R3）图3热闭环原理简图前文已经说过，FZ1=70mHZ，如果选择R3=243kΩ，那么C2就应为9.36μF。我们选择10μF设计。现在我们选择R1=10kΩ。这使得前端放大器（U2）有足够的增益以减少反射积分器（U1）的错误，同时保持合理的电容器的尺寸。现在，我们必须插入一个零点以抹去第二个在1Hz的TEC响应曲线极点。因为我们希望得到良好的相位裕度，零插入所需的交叉频率除以至少5或0.4Hz。这给出了一个在交叉频率的一个更好的相位裕度。然后通过放置由R1创建的、至少5倍于交叉频率，或者10Hz的极点终止该零点。这限制了积分器的的增益。所以，因为：FZ2=1/（2π×C1×R2）并且FZ2=0.4Hz和R2=510KΩ，我们可以算出C1=0.78μF。我们选择C1为1μF。为了计算出R1的大小，我们使用关系：F3=1/（2π×C1×R1）因为F3=10HZ，C1=1μF，这样我们可以知道R1=15.9kΩ。使用10kΩ就可以提供更好的相位裕度。然后，我们必须设置衰减频率在30Hz。因为R3=243kΩ，FC=30Hz，并且：FC=1/（2π×C3×R3）我们知道C3=0.022μF。现在，TEC的响应已被优化，然后系统的增益必须进行调整，应在2Hz交叉，从图1中我们可以看到，在2Hz的未补偿产地函数中（图中实线1）具有-30dB的增益。如果我们希望有一个2Hz的单位增益交叉，我们必须在2Hz处提供+30dB的增益。由于U1及其组成部分在2Hz有增益，我们必须在所需的系统增益总额中减去此增益从而找到前端增益。U1的增益由R3和C1决定。在2Hz处，R1、R2、C2和C3完全可以忽略。C1在2Hz阻抗可以由下式获得，即：XC=-j/（2π×FC×C1）因为C1=1μF，FC=2Hz，那么：XC=j79.6kΩU1的幅度增益G为：G=|R3/XC|由于R3=243kΩ，XC=j79.6kΩ，G=3.05或9.7分贝。要想对此增益进行全面的分析，就不应忽视R1、R2、C2和C3，此时G=3.11或9.8分贝，从而验证了我们的假设。现在，我们必须在前端再提供20.3分贝的增益以完成2Hz处的增益交叉。前端增益部分有两个功能：它减少积分器U1产生的误差，和采集从热敏电阻传来的温度信息。由R4、R5和U2（图3）所设定的直流增益需要足够高以防止该误差信号被PID补偿电路消除。由于R4=10kΩ，R5=100kΩ，那么前端增益是11或20.8分贝，足以压倒9.7分贝的PID补偿部分。从热敏电阻传来的温度读数以误差信号的形式被传递给PID控制部分。该误差信号表示的是实际温度和所需温度（设定值）之间的差异。U2输出的误差信号可以按照下式计算：这里的1.5V是通过10kΩ的电阻器连接到热敏电阻的参考值，RT是电阻热敏电阻，VSET是电压设定点。调节TEC温度的热闭环整个环路以及补偿值的例子如图3所示。通过了解在一个给定的温度下RT阻值的大小，可根据需要选择设定VSET的值，然后自动调节温度。此处使用一个跳线可选式数字-模拟转换器（DAC）或电位器来控制VSET。通过发送误差信号到PID调节补偿部分，然后它控制输入到到TEC驱动器的模拟信号，直到温度误差信号接近0，由此，器件的温度得以调节。由于PID补偿部分有着良好的相位裕度，该电路足以应对TEC增益在加热或冷却模式的变化。组件的选择该电路的组件选择将取决于所需的应用程序的具体要求。MAX1978提供有这种设计拓扑结构所需要的片上放大器。如果使用MAX1968，MAX8520，或MAX8521的话，那么就需要使用一个具有低失调电压漂移的运算放大器，例如MAX4477ASA就是一个不错的选择。由于上面的热敏电阻的信号电平比较低，电路中热敏电阻的信号应该使用屏蔽线。U1应该选用超低漏电电流的型号，以避免高电路阻抗所产生的直流漂移。MAX4475ASA运算放大器的漏电电流仅仅只有150pA（最大值），所以它确实是一个不错的选择。U1周围的元件，特别是C2和C3，应选择具有最高的漏电阻的型号，C2需要尽可能最低的热漂移。聚苯乙烯薄膜电容器是最好的选择，但他们是非常庞大和昂贵。陶瓷电容器一个不错的选择，但较大的值可能会泄漏到足以引起增益误差。不要使用电解电容或钽电容器。U1反向端引脚的周围和下面应放置一个带有PC板的保护环，并且它的组件应该被连接到U1的同相端。保护环拦截任何可能引起求和误差的杂散电流。助焊剂，湿气，和玻璃纤维印刷电路板可以引起漏电流的问题，而保护环可以改善这些影响。保形涂层板及其组件可以帮助防止污染物干扰电路的性能。TEC控制回路的测试控制回路可以通过单位阶跃函数来测试。一个简单的温度设定点的变化应使热敏电阻有所反应，并使得新的温度设定点与之前相比有着非常小的过冲。如果阶跃响应观察到振铃现象，表示在交叉频率相位裕度比较差。通过记录振铃频率和振铃次数，可对直流增益（交叉频率）或者补偿电路进行调整，直至得到得到一个令人满意的结果。通过使用这种方法与一些TEC行为的观察，一个TEC的闭环可以在未经补偿网络分析仪测试的情况下得到补偿。即使有了网络分析仪的帮助，该系统应该在制冷和制热两种模式下利用阶跃响应的方法进行测试。在制冷模式下加热，在加热模式下的制冷是系统环境最为恶劣的情况。闭环中的