精密热管理Peltier模块设计

作者:Jawaaz Ahmad.

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通过了解强大的小Peltier模块的基础知识,您可以更好地选择具有性能评级的合适大小的模块,以充分支持您的设计的热管理要求。

有时冷却需要更严格地控​​制比简单的散热器和风扇可以处理。快速波动的负载可以使其难以保持组件冷却和稳定。然而,当尝试提高信号对噪声性能或阻止对系统损坏时,这通常可以很重要。

另一方面,可靠性计算可能需要控制器或功率分量以低于正常环境温度。非电子应用,例如控制化学反应的速率或性能,也需要精确地进行控制。

幸运的是,有一种解决方案可以帮助您解决这些挑战。热电模块,或者珀耳帖模块,在各种可以被连接到IC封装件或其它类型的组件以类似于散热器的方式大小是可用的。

珀耳帖模块的构成
图1:Peltier模块的构造

由小电流供电,模块主动地从附加的热源汲取热能,并将其耗散到大气中。如有必要,可以设计成使部件保持冷却至特定温度,或甚至低于室温。

珀耳帖模块包括由一系列电连接的PN掺杂半导体粒料分开的两个外部陶瓷板。当电流通过该矩阵,使用温度梯度是根据珀尔帖效应建立的。

This causes one of the module’s boards to cool down, allowing it to absorb heat from a source (such as the surface of a component, such as a chip or laser diode), while the other side becomes hotter, and thus, it can dissipate heat into ambient air or a heat-sink. This allows heat to be efficiently extracted from an attached component, as long as both the extracted heat and that internally generated by the operating current can be dissipated on the opposite surface.

热电冷却系统的设计

注意,帕尔蒂尔元件不能吸收热量。这纯粹是一种转移机制。因此,必须从热表面散热。要开始设计一个将组件冷却到所需外壳温度的系统,我们需要知道一些关键参数:

  • 模块冷侧的所需温度
  • 模块之间的温差
  • 模块热侧温度
  • 模块表面
  • 要求动作电流
  • 需要驱动电压

Peltier模块的数据表指定了在模块的外陶瓷板的外表面测量的温度差(T)。在模块附着组件和散热器的地方应插入一层薄薄的热界面材料(TIM),因此在设计系统时应考虑这些影响。

知道热侧温度是必要的,因为Peltier模块的特性随其工作温度而变化。CUI Devices数据表指定模块在不同温度下的性能,以帮助设计人员优化系统。

即便如此,应用程序所需的温度也不太可能与数据表中的一个完全匹配。因此,设计师应该看看最接近温度的曲线,了解模块如何在实践中工作。

Peltier模块的表面必须与热源的表面相似。较大的失配可以通过使用散热器来补偿。吊具一般由铝或铜制成。

和LED一样,热电模块也是电流驱动的设备。要达到理想的性能,最简单的方法是用具有足够依从性的可控电流源驱动Peltier模块,以提供所需的负载电压。这可以从模块数据表和操作限制中确定。

热能对温度和输入电压对温度
图2:热能对温度和输入电压对温度

作为一个例子,让我们使用一个通用的Peltier模块来演示一个热电制冷系统的设计,其中所需的传热、表面温度和物体的表面积是已知的。

假设:

  • 20W热传递通过模块
  • 模块间温差为20℃
  • 30°C热侧温度
  • 30×30mm物体表面积

利用热能随温度的变化曲线和输入电压随温度的变化曲线来计算工作电流和电压。

在热泵轴上画一条20W的水平线,表示通过模块传输的功率。

在20℃下画一条垂线,即整个模块保持的温差。

这两条线相交于约2.7A处。这是运行模块所需的电流。

标记垂直线在输入电压图上的垂直线相交2.7a。

这对应于大约7.5V,即电流源的所需电压符合性。

该模块工作在2.7A和7.5V,功耗为20W。因此,散热器的总散热为40W (20W热源+ 20W散热器模块)。

作为常规冷却的替代方案,通过直接附加的散热器,使用热电或珀耳帖模块可以通过更快的瞬态响应确保更高的精度和温度稳定,而半导体的最新进展允许模块保持可靠和有利可图。

通过了解这些强大的小设备的基础知识,您可以更好地选择具有性能评级的合适大小的模块,以充分支持您的设计的热管理要求。


来自斯利那加的Jawaaz Ahmad是Awantipora伊斯兰科技大学设计创新中心的设计研究员

本文发表于2021年2月2021年的最新EFY问题。您还可以阅读EFY Express上的其他文章在这里

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