如何在热管理系统中集成珀尔帖模块

2019-08-09 01:03:40  A+ A-

  在某些应用中,工程师需要将组件冷却到恒定温度或低于环境温度的工作温度。热电模块,又称珀尔帖模块,可以实现小巧、轻质且节能的热管理解决方案;但是为了组建最优化的热电系统,还需考虑适当集成某些器件并改良器件供电。

  热电模块运用的珀尔帖效应以法国科学家 Jean Peltier 命名。他认为电流通过不同导体组成的回路时,会在导体连接处产生温差。新型的珀尔帖模块器件通常包括两块外部陶瓷板和内部导电层,两者由 P-N 半导体芯片分隔。这些 P-N 芯片通过电气连接串联在一起,但采用并联式热力学排列。

  对珀尔帖模块施加直流电压后,P 型和 N 型半导体会吸收一个表面的热量,并将其释放到另一侧,从而使发生吸热的一侧降温,而接受热量的一侧升温。

  请注意,珀尔帖效应可用于加热或冷却物体。尽管本文着重介绍冷却应用,但加热应用的设计考虑因素也大同小异,只是施加电压的极性、电流方向和通过模块的热流方向正好相反。

  图 1:珀尔帖模块将热量从热源传递到散热器。(图片来源:CUI, Inc.)

  将通电的珀尔帖模块置于 IC 表面等热源与散热器之间,可使 IC 有效冷却,如图 1 所示。珀尔帖模块的低温侧连接热源,而高温侧连接散热器。请注意,模块只是将热量从低温侧传递到高温侧,但不吸收热量。系统设计可采用恒定速率将热量提取到散热器,或者通过控制所施加的电源,确保器件接触的表面保持恒定温度。如有需要,甚至可将该温度设为低于环境温度。

  图 2 显示用于冷却 IC 等组件的系统基本元件。珀尔帖模块从待冷却物体中提取热量,而散热器不仅要耗散 IC 的热量,还要耗散珀尔帖模块中由电流流动所产生的热量。连接 IC 上温度传感器的外部反馈回路可控制珀尔帖模块的电源,从而保持物体的温度恒定。

  图 2:带温度控制反馈回路的珀尔帖模块系统。(图片来源:CUI, Inc.)

  选择珀尔帖模块时,应考虑应用的温度要求,包括模块所需传递的热量、模块的最高温度以及高温侧的最高温度。选择合适的模块后,即可确定电源要求。

  珀尔帖模块是由受控电流源供电的电流驱动器件;虽然也可使用电压源,但最好使用电流源。如果模块旨在连续提供最大冷却效果,则可施加恒定电压(图 3)。在这种情况下,可以直接在规格书的特性曲线图中读取给定冷却要求的负载电流和输入电压。CUI 的文章“选择并使用高级珀尔帖热电冷却模块”中作了详细介绍。

  图 3:由电压源供电的简单珀尔帖系统。(图片来源:CUI, Inc.)

  另一方面,如果热负荷和/或环境温度不断变化,却要求模块使组件保持恒定温度,则需要接入温度传感器和反馈回路,如图 2 所示。

  采用较低的环路带宽可实现反馈的灵活性。温度传感器可采用热电偶、固态温度传感器或红外传感器,而馈送至电源的数据用于调节所施加的电压。如果电源调节范围不够宽,则可以使用外部 PWM电路来实现电压调节。建议在 PWM 输出端接入滤波器,使纹波保持在 5% 以下(图 4),从而确保模块的性能系数 (COP) 较高,并最大限度地减少对附近元器件的干扰。发烧友公众号回复资料可以免费获取电子资料一份记得留邮箱地址。

  除了从待冷却组件提取的热量外,由于电流流动,珀尔帖模块内部也会产生热量。如果因自热现象导致模块的 COP 低于预期值,那么自热可能会是一个问题;但如果自热产生的热量超过模块的传热能力,那就成为必须解决的问题。

  因此,系统设计时必须考虑这两个热源,以便选择合适的模块和散热器,确定其工作电压和电流的要求。只要组件选型得当,珀尔帖模块系统就可以提供出色的解决方案,让冷却的组件实现所需的热传递或目标工作温度。

  珀尔帖模块可为电子温度控制提供极为有效的基础。该模块小巧、轻质,且以高 COP 工作时效率高,还可使用电流源或电压源进行控制。除模块外,只需少量标准元器件即可构建有效的温度控制解决方案,将器件工作温度保持在环境温度或低于环境温度。了解这些器件的使用方法是解决各种项目问题的宝贵技能。CUI 的珀尔帖模块具有多种性能等级和尺寸,为设计人员提供多种选择以用于下一个热管理系统设计。

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  UC1843A-DIE 电流模式 PWM 控制器,UC1843A-DIE

  信息描述UC1843A-DIE 是一个用于 UC1843-DIE 的引脚兼容改进版本的引脚。 提供控制电流模式开关模式电源的必要特性。特性 抗辐射:30kRad (Si) 电离总剂量效应 (TID)抗辐射性是基于初始器件鉴定剂量率等于每秒 10mrad 时的典型值。 提供辐射批次验收测试 - 详细信息请联系厂家。针对离线和直流至直流 (DC-DC) 转换器进行了优化 低启动电流 修整的振荡器放电电流 自动前馈补偿 逐脉冲电流限制 增强型负载响应特性 带有滞后功能的欠压闭锁 双脉冲抑制 高电流推挽式输出 内部修整的带隙基准 低 RO误差放大器...

  信息描述 UC1843-DIE 使用最少的外部部件数量为离线或直流至直流定频电流模式控制系统配置的执行提供必要的特性。 内部执行的电路包括欠压闭锁特性启动电流,确保锁存运行的逻辑电路,一个提供电流限制控制的 PWM 比较器,还有一个被设计用来灌入或吸收高峰值电流的推挽式输出级。 当处于关闭状态时,适合驱动 N-通道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的输出级为低电平。特性 针对离线和直流至直流 (DC-DC) 转换器进行了优化 低启动电流 自动前馈补偿 逐脉冲电流限制 增强型负载响应特性 带有滞后功能的欠压闭锁 双脉冲抑制 高电流推挽式输出 低 RO误差放大器...

  信息描述 UC1846 控制集成电路 (IC) 在保持最小外部部件数量的同时提供执行定频、电流模式控制机制所需的全部特性。 这个技术的出色性能可在改进的线路稳压、增强型负载响应特性,和一个更简单、易于设计的控制环路中测得。 拓扑优势在保持电流均流的基础上包含固有逐脉冲电流限制功能、针对推挽转换器的自动对称校正和电源模块的并行功能。除了软启动功能外,保护电路还包括内置欠压闭锁和可编程电流限制。 还提供关断功能,此功能启动一个具有自动重启的完全关断或者将电源锁存。其它特性包括完全锁存运行,双脉冲抑制和期限调节功能。在关闭状态下,UC1846 特有低输出。特性 自动前馈补偿 可编程逐脉冲电流限制 推挽配置中的自动对称校正 增强型负载响应特性 针对模块化电源系统的并行运行功能 具有宽共模范围的差分电流感测放大器 双脉冲抑制 欠压闭锁 软启动功能 关断端子...

  信息描述 UC1825A-DIE PWM 控制器是标准 UC1825 系列的改良版本。 已经对几个电路块进行了性能提升。 误差放大器增益带宽为12MHz,而输入偏移电压为 2mV。 电流限制阀值经验证为耐受的 5%。 为实现精准死区时间控制,振荡器放电电流额定值为 10mA。 频率精度被提升至 6%。 典型值为 100μA 的启动电源电流非常适合于脱机应用。 在不对启动电流技术规格产生影响的情况下,重新设计了输出驱动器,以便在 UVLO 期间主动灌电流。 此外,每个输出在转换期间能够输出 2A 的峰值电流。特性 抗辐射:30kRad (Si) 电离总剂量效应 (TID)抗辐射性是基于初始器件鉴定剂量率等于每秒 10mrad 时的典型值。 提供辐射批次验收测试 - 详细信息请联系厂家。与电压模式或电流模式控制方法兼容 在开关频率下实际运行 至输出的 50ns 传播延迟 高电流双推拉式输出修整的振荡器放电电流 低 100μA 启动电流 逐周期电流限制比较器 具有全周期重启动功能的锁存过流比较器...

  信息描述 UC1825-DIE PWM 控制器件针对高频开关模式电源应用进行了优化。 对在大大增加误差放大器的带宽和转换率的同时,大大减小通过比较器和逻辑电路的传播延迟给与了特别关注。 这个控制器设计用于电流模式或电压模式系统,此系统具有输出电压前馈功能。保护电路包括一个阀值电压为 1V 的电流限制比较器、一个 TTL 兼容关断端口和一个软启动引脚,此引脚可对折为一个最大占空比钳位。 此逻辑被完全锁存以提供无抖动运行,并且抑制了输出上的多脉冲。 一个具有 800mV 滞后的欠压闭锁部分可确保低启动电流。 欠压闭锁期间,输出为高阻抗。这个器件特有推挽式输出,此输出被设计用来拉、灌来自电容负载(诸如一个功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的栅极)的高峰值电流。 接通状态被设计为高电平。特性 抗辐射:30kRad (Si) 电离总剂量效应 (TID)抗辐射性是基于初始器件鉴定剂量率等于每秒 10mrad 时的典型值。 提供辐射批次验收测试 - 详细信息请联系厂家。与电压或电流模式拓扑结构兼容 实际运行开关频率 到输出的 50ns 传播延迟 高电流双推挽式输出 宽带宽误差放大器 支持双脉冲抑制的全锁存逻辑 逐脉冲电流限制 软启动/最大占空比...

  TLC59582 48 通道、16 位 ES-PWM LED 驱动器,具有预充电 FET、LOD Caterpillar 和

  信息描述The TLC59581/82are 48-channel constant-current sink drivers. Each channel has an individually-adjustable, 65536-step, pulse width modulation (PWM) grayscale (GS) brightness control.The TLC59581 can support 32-multiplexing while TLC59582 can support 16-multiplexing.The output channels are divided into three groups. Each group has a 512-step color brightness control (CC). CC adjusts brightness control between colors. The maximum current value of all 48 channels can be set by 8-step global brightness control (BC). BC adjusts brightness deviation between LED drivers. GS, CC and BC data are accessible through a serial interface port.See application note Build High Density, High Refresh Rate, Multiplexing LED Panel with TLC59581, SLVA744. The TLC59581/82 device has one error flag: the LED open detection (LOD), which can be read through a serial interface port. To resolve this caterpillar issue caused by an open L...

  TLC5958 具有 48k 位存储器的 48 通道、16 位 PWM LED 驱动器

  信息描述TLC5958 是一款 48 通道恒流灌电流驱动器,适用于占空比为 1 至 32 的多路复用系统。 每个通道都具有单独可调的 65536 步长脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS)。采用 48K 位显示存储器以提升视觉刷新率,同时降低 GS 数据写入频率。输出通道分为三组,每组含 16 个通道。 各组都具有 512 步长颜色亮度控制 (CC) 功能。 全部 48 通道的最大电流值可通过 8 步长全局亮度控制 (BC) 功能设置。 CC 和 BC 可用于调节 LED 驱动器之间的亮度偏差。 可通过一个串行接口端口访问 GS、CC 和 BC 数据。如需应用手册:,请通过电子邮件发送请求。TLC5958 有一个错误标志:LED 开路检测 (LOD),可通过串行接口端口读取。 TLC5958 还具有节电模式,可在全部输出关闭后将总流耗设为 0.8mA(典型值)。特性 48 通道恒流灌电流输出具有最大亮度控制 (BC)/最大颜色亮度控制 (CC) 数据的灌电流: 5VCC 时为 25mA 3.3VCC 时为 20mA 全局亮度控制 (BC):3 位(8 步长) 每个颜色组的颜色亮度控制 (CC):9 位(512 步长),三组使用多路复用增强型光谱 (ES) PWM 进行灰度 (GS) 控制:16 位 支持 32 路多路复用的 48K 位灰度数据...

  TLC59581 48 通道、16 位 ES-PWM LED 驱动器,具有预充电 FET、LOD Caterpillar 和

  信息描述 TLC59581 是一款 48 通道恒定灌电流驱动器。每个通道都具有单独可调的 65536 步长脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS) 亮度控制。输出通道分为三组。各组都具有 512 步长颜色亮度控制 (CC) 功能。CC 可调节颜色之间的亮度。全部 48 通道的最大电流值可通过 8 步长全局亮度控制 (BC) 功能设置。BC 调节 LED 驱动器之间的亮度偏差。可通过一个串行接口端口访问 GS、CC 和 BC 数据。TLC59581 具有一个错误标志:LED 开路检测 (LOD)。该标志可通过串行接口端口读取。为解决开路 LED 引发的此类 caterpillar 问题,TLC59581 器件具有一个增强型电路。该电路可提供 caterpillar 效应消除、热关断 (TSD) 和 IREF 电阻短路保护 (ISP) 功能,以确保较高的系统稳定性。TLC59581 器件还具有节电模式,可在输出全部关闭后将总流耗降为 0.8mA(典型值)。TLC59581 器件是一款提升多路复用面板低灰度显示模式性能的良好解决方案。请参见应用笔记,SLVA744。特性 48 个恒定灌电流输出通道 具有最大亮度控制 (BC)/最大颜色亮度控制 (CC) 数据的灌电流:5 VCC 时为 25mA 3.3 VCC 时为 20mA 全局亮度控制 (BC):...

  TLC5951-DIE 具有 7 位点校正和 3 组 8 位全局亮度控制功能的 24 通道、12 位 PWM LED 驱动器

  信息描述 TLC5951是一款 24 通道,恒定灌电流驱动器。 每个通道具有一个独立可调节,4096 步长,脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS) 亮度控制和 128 步长的恒定电流点校正 (DC)。 此点校正调节通道和其它 LED 驱动器之间的亮度偏差。 输出通道是被分成三组的 8 个通道。 每个通道组有一个 256 步长全局亮度控制 (BC) 功能和一个独立的灰度时钟输出。可通过一个串行接口访问 GS,DC 和 BC 数据。 通过一个专用串行端口可对 DC 和 BC 进行编程。TLC5951 有三个针对 LED 开路检测 (LOD),LED 短路检测 (LSD) 和热错误标志 (TEF) 的错误检测电路。 LOD 检测损坏或者断开的 LED,而 LSD 检测一个短接的 LED。 TEF 表示一个过热条件。特性 24 通道恒定灌电流输出 电流功能 使用 PWM 的可选灰度 (GS) 控制:12 位(4096 步长),10 位(1024 步长),8 位(256 步长)针对三色组的三个独立灰度时钟 点校正 (DC):7 位(128 步长) 针对每个颜色组的全局亮度控制 (BC):8 位(256 步长) 自动重复显示功能 针对 GS,BC 和 DC 数据的独立数据端口 每个数据端口间的通信路径 LED 电源电压 VCC=3.0V 至 5.5V...

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