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，又稱珀爾帖模塊，可以實現(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。
珀爾帖模塊基礎(chǔ)知識
熱電模塊運用的珀爾帖效應(yīng)以法國科學(xué)家 Jean Peltier 命名。他認為電流通過不同導(dǎo)體組成的回路時，會在導(dǎo)體連接處產(chǎn)生溫差。新型的珀爾帖模塊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。
對珀爾帖模塊施加直流電壓后，P 型和 N 型半導(dǎo)體會吸收一個表面的熱量，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。
請注意，珀爾帖效應(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。
珀爾帖模塊系統(tǒng)設(shè)計
圖 1：珀爾帖模塊將熱量從熱源傳遞到散熱器。（圖片來源：CUI, Inc.）
將通電的珀爾帖模塊置于 IC 表面等熱源與散熱器之間，可使 IC 有效冷卻，如圖 1 所示。珀爾帖模塊的低溫側(cè)連接熱源，而高溫側(cè)連接散熱器。請注意，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。珀爾帖模塊從待冷卻物體中提取熱量，而散熱器不僅要耗散 IC 的熱量，還要耗散珀爾帖模塊中由電流流動所產(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爾帖模塊的電源，從而保持物體的溫度恒定。
圖 2：帶溫度控制反饋回路的珀爾帖模塊系統(tǒng)。（圖片來源：CUI, Inc.）
選擇珀爾帖模塊時，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。
珀爾帖模塊是由受控電流源供電的電流驅(qū)動器件；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載電流和輸入電壓。
圖 3：由電壓源供電的簡單珀爾帖系統(tǒng)。（圖片來源：CUI, Inc.）
另一方面，如果熱負荷和/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附近元器件的干擾。
圖 4：用于恒溫控制的珀爾帖系統(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，珀爾帖模塊內(nèi)部也會產(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，那么自熱可能會是一個問題；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)計時必須考慮這兩個熱源，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)，珀爾帖模塊系統(tǒng)就可以提供出色的解決方案，讓冷卻的組件實現(xiàn)所需的熱傳遞或目標(biāo)工作溫度。
總結(jié)
珀爾帖模塊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 工作時效率高，還可使用電流源或電壓源進行控制。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目問題的寶貴技能。CUI 的珀爾帖模塊具有多種性能等級和尺寸，為設(shè)計人員提供多種選擇以用于下一個熱管理系統(tǒng)設(shè)計。
