如何在热管理系统中集成珀尔帖模块

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。

珀尔帖模块基础知识

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。

珀尔帖模块系统设计

图 1：珀尔帖模块将热量从热源传递到散热器。（图片来源：Same Sky）

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：Same Sky）

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。Same Sky 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：Same Sky）

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。

图 4：用于恒温控制的珀尔帖系统。（图片来源：Same Sky）

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。

结束语

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。Same Sky 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。