1、用于Peltier模塊的集成溫度控制器概論MAX1978 / MAX1979是用于Peltier熱電冷卻器（TEC）模塊的最小，最安全，最精確完整的單芯片溫度控制器。片上功率FET和熱控制環(huán)路電路可最大限度地減少外部元件，同時保持高效率。可選擇的500kHz / 1MHz開關頻率和獨特的紋波消除方案可優(yōu)化元件尺寸和效率，同時降低噪聲。內部MOSFET的開關速度經過優(yōu)化，可降低噪聲和EMI。超低漂移斬波放大器可保持0.001C的溫度穩(wěn)定性。直接控制輸出電流而不是電壓，以消除電流浪涌。獨立的加熱和冷卻電流和電壓限制提供最高水平的TEC保護。MAX1978采用單電源供電，通過在兩個同步降壓調節(jié)器的輸

2、出之間偏置TEC，提供雙極性3A輸出。真正的雙極性操作控制溫度，在低負載電流下沒有“死區(qū)”或其他非線性。當設定點非常接近自然操作點時，控制系統(tǒng)不會捕獲，其中僅需要少量的加熱或冷卻。模擬控制信號精確設置TEC電流。MAX1979提供高達6A的單極性輸出。提供斬波穩(wěn)定的儀表放大器和高精度積分放大器，以創(chuàng)建比例積分（PI）或比例積分微分（PID）控制器。儀表放大器可以連接外部NTC或PTC熱敏電阻，熱電偶或半導體溫度傳感器。提供模擬輸出以監(jiān)控TEC溫度和電流。此外，單獨的過熱和欠溫輸出表明當TEC溫度超出范圍時。片上電壓基準為熱敏電阻橋提供偏置。MAX1978 / MAX1979采用薄型48引腳薄型

3、QFN-EP封裝，工作在-40C至+ 85C溫度范圍。采用外露金屬焊盤的耐熱增強型QFN-EP封裝可最大限度地降低工作結溫。評估套件可用于加速設計。應用光纖激光模塊 典型工作電路出現在數據手冊的最后。 WDM，DWDM激光二極管溫度控制光纖網絡設備EDFA光放大器電信光纖接口ATE特征尺寸最小，最安全，最精確完整的單芯片控制器片上功率MOSFET-無外部FET電路占用面積0.93in2回路高度 0時，VOS2 VOS1 VCS。46REF1.5V參考電壓輸出。用1F陶瓷電容將REF旁路至GND。47CS電流檢測輸入。在CS和OS1之間監(jiān)視通過TEC的電流。最大TEC電流為150mV / RSE

4、NSE，MAX1978為雙極性。MAX1979 TEC電流為單極性。48OS1輸出檢測1.OS1檢測差分TEC電壓的一側。OS1是感測點，而不是功率輸出。功能框圖詳細說明功率級MAX1978 / MAX1979熱電冷卻器（TEC）溫度控制器的功率級由兩個開關降壓調節(jié)器組成，它們共同工作以直接控制TEC電流。這種配置在TEC上產生差分電壓，允許雙向TEC電流用于控制冷卻和加熱。可控制的冷卻和加熱使精確的TEC溫度控制在激光驅動器規(guī)格的嚴格公差范圍內。CTLI的電壓直接設定TEC電流。內部熱控制回路驅動CTLI以調節(jié)TEC溫度。片上熱控制電路可配置為實現0.001C的溫度控制穩(wěn)定性。圖1顯示了典型

5、的TEC熱控制電路。圖1 MAX1978典型應用電路紋波消除MAX1978 / MAX1979中使用的開關穩(wěn)壓器固有地在每個共模輸出上產生紋波電壓。MAX1978中的穩(wěn)壓器同相切換并提供互補的同相占空比，因此差分TEC輸出的紋波波形會大大降低。此功能可抑制TEC處的紋波電流和電噪聲，以防止干擾激光二極管，同時最大限度地減小輸出電容濾波器的尺寸。開關頻率FREQ設置內部振蕩器的開關頻率。當FREQ = GND時，振蕩器頻率為500kHz。當FREQ = VDD時，振蕩器頻率為1MHz。1MHz設置允許最小電感和濾波電容值。500kHz設置可優(yōu)化效率。電壓和電流限制設置MAX1978和MAX197

6、9提供設置以限制最大差分TEC電壓。向MAXV施加電壓會將TEC上的最大電壓限制為（4VMAXV）。MAX1978還限制了最大的正和負TEC電流。施加到MAXIP和MAXIN的電壓獨立設置最大正負輸出電流限制。MAX1979僅在一個方向上控制TEC電流，因此最大電流僅通過MAXIP設置。使用MAX1979時，MAXIN必須連接到GND。斬波穩(wěn)定儀表放大器MAX1978和MAX1979包括一個斬波輸入儀表放大器，其固定增益為50.外部熱傳感器（通常為熱敏電阻）連接到其中一個放大器輸入。另一個輸入連接到表示溫度設定點的電壓。該設定點可以從抗分辨器網絡或DAC導出。隨附的儀表放大器提供低失調漂移，以

7、防止溫度設定點隨環(huán)境溫度變化而漂移。通過使用如圖1所示的放大器，可以在0C至+ 50C的環(huán)境溫度范圍內實現0.001C的溫度穩(wěn)定性.DIFOUT是儀表放大器輸出，與設定點之差的50倍成比例溫度和TEC溫度。這種差異通常被稱為“誤差信號”。為獲得最佳溫度穩(wěn)定性，請從驅動熱敏電阻的相同參考電壓（通常為MAX1978 / MAX1979 REF輸出）獲得設定點電壓。這稱為“比例”或“橋接”連接。橋接連接通過消除REF漂移作為誤差源來優(yōu)化穩(wěn)定性。REF的誤差無效，因為它們會同等地影響熱敏電阻和設定點。儀表放大器采用斬波輸入方案，以最大限度地減少輸入失調電壓和漂移。這會在DIFOUT處產生等于斬波頻率的

8、輸出紋波。DIFOUT峰峰值紋波幅度通常為100mV，但對溫度穩(wěn)定性沒有影響。在下一階段，積分器會對DIFOUT紋波進行濾波。斬波頻率從功率級的開關頻率導出并與其同步。積分放大器MAX1978 / MAX1979提供片上積分放大器。放大器的同相端子內部連接到REF。 在DIFOUT和INT-之間連接適當的電阻和電容網絡，并將INTOUT連接到CTLI以進行典型操作。CTLI直接控制TEC電流幅度和極性。熱控制回路動態(tài)由積分器輸入和反饋組件設置。 有關熱環(huán)路補償的詳細信息，請參見“應用信息”部分。電流監(jiān)視器輸出ITEC提供與TEC電流成比例的電壓輸出ITEC（參見功能框圖）：VITEC = 1.

9、5V +8（VOS1 - VCS）過溫和欠溫報警MAX1978/MAX1979提供開漏狀態(tài)輸出，可在TEC溫度超過或低于設定溫度時向微控制器發(fā)出警報。當V（FB1 + - FB-）大于20mV時，OT和UT拉低。對于典型的熱敏電阻連接，這會導致大約1.5C的誤差。參考輸出MAX1978 / MAX1979內置1.5V基準電壓源，溫度精度可達1。 用1F旁路REF至GND。如圖1和圖2所示，REF可用于偏置外部熱敏電阻進行溫度檢測。請注意，REF的1精度并不限制MAX1978 / MAX1979可實現的溫度穩(wěn)定性。這是因為熱敏電阻和設定點橋臂旨在由相同的參考源（REF）按比例驅動。然后橋接驅動電

10、壓的變化抵消并且不產生誤差。因此，MAX1978 / MAX1979基準電壓源可實現0.001C的穩(wěn)定溫度控制。可以使用外部源來偏置熱敏電阻橋。為獲得最佳精度，應用于FB +和FB-的共模電壓應保持在0.5V至1V之間，但如果儀表放大器的某些偏移偏移（約-50V/），則輸入范圍可從0.2V擴展至VDD / 2 V）可以容忍。該偏移隨溫度保圖2 MAX1979典型應用電路持恒定，并且不會導致設定點漂移。緩沖輸出，BFB +和BFBBFB +和BFB-輸出分別出現在FB +和FB-上的緩沖版電壓。 緩沖器通常與非專用斬波放大器一起使用，以創(chuàng)建熱敏電阻電壓/ TEC溫度的監(jiān)視器（圖1和圖2）。 這些

11、緩沖器是單位增益斬波放大器，具有輸出紋波。 如有必要，可以對每個輸出進行集成或過濾，以消除紋波內容。非專用斬波穩(wěn)定放大器除了DIFOUT和BFB_的斬波放大器外，MAX1978 / MAX1979還在AOUT處增加了一個斬波放大器。該放大器未提交，但旨在提供溫度比例模擬輸出。熱敏電阻電壓通常通過包含的緩沖器BFB +和BFB-連接到非專用斬波放大器。圖3顯示了如何將非專用放大器配置為熱敏電阻電壓監(jiān)視器。AOUT的輸出電壓不是精確的線性，因為熱敏電阻不是線性的。AOUT也是穩(wěn)定斬波器并具有輸出紋波，可以集成或濾波，以便在必要時消除紋波內容。圖 3 熱敏電阻電壓監(jiān)視器設計過程電感的選擇小型表面貼裝

12、電感器非常適合與MAX1978 / MAX1979配合使用。選擇輸出電感，使電感和輸出電容的LC諧振頻率小于所選開關頻率的1/5。例如，3.0H和1F在92kHz時具有諧振，這足以用于500kHz操作。fLC=12LC式中：fLC=輸出濾波器的諧振頻率。電容的選擇濾波電容使用靠近電源引腳的10F陶瓷電容將每個電源輸入（VDD，PVDD1和PVDD2）去耦。如果長電源線將源電源與MAX1978 / MAX1979分開，或者源電源具有高輸出阻抗，則在VDD電源層和電源地之間再加一個22F至100F的陶瓷電容。電源旁路不足會導致電源反彈并降低精度。補償電容包含一個補償電容，以確保電流功率控制環(huán)路的穩(wěn)

13、定性。 選擇電容，使電流控制環(huán)的單位增益帶寬小于或等于輸出濾波器的諧振頻率的10：CCOMPgmfBW 24RSENSE2RSENSE+RTEC式中：fBW =單位增益帶寬頻率gm =環(huán)路跨導，通常為100A/ V.CCOMP =補償電容的值RTEC = TEC串聯(lián)電阻RSENSE =檢測電阻設定電壓和電流限制考慮TEC參數以保證穩(wěn)健的設計。這些參數包括最大正電流，最大負電流和TEC上允許的最大電壓。這些限制應用于設置MAXIP，MAXIN和MAXV電壓。設置最大正和負TEC電流MAXIP和MAXIN分別設置最大正和負TEC電流。當MAXIP和MAXIN連接到REF時，默認電流限制為150mV

14、 / RSENSE。要設置除默認值以外的最大限制，請在REF和GND之間連接一個電阻分壓器以設置VMAXIN。使用10k至100k范圍內的電阻。VMAXIN通過以下等式與ITEC相關：VMAXIP = 10(ITECP(MAX) RSENSE)VMAXIN = 10(ITECN(MAX) RSENSE)其中ITECP（MAX）是最大正TEC電流，ITECN（MAX）是最大負TEC電流。當CS小于OS1時，會出現正TEC電流：ITEC RSENSE = CS - OS1 當ITEC 0.MAX1979僅在一個方向（單極性）上控制TEC電流。通過向MAXIP施加電壓來設置最大單極TEC電流。 使用

15、MAX1979時，將MAXIN連接到GND。MAX1978和MAX1979的MAXIP設置公式相同。不要超過TEC上的正或負限流規(guī)格。有關這些限制，請參閱TEC制造商的數據表。設置最大TEC電壓向MAXV施加電壓以控制最大差分TEC電壓。 MAXV可以在0到REF之間變化。TEC兩端的電壓是VMAXV的四倍，可以是正的也可以是負的。|VOS1 - VOS2| = 4 VMAXV使用10k至100k的電阻來形成電壓分壓器以設置VMAXV。熱控回路圖4 比例積分微分控制器MAX1978 / MAX1979提供創(chuàng)建熱控制環(huán)路所需的所有必要放大器。通常，斬波穩(wěn)定的儀表放大器產生誤差信號，積分放大器用于

16、產生PID控制器。圖4顯示了一個簡單PID實現的示例。控制環(huán)路所需的誤差信號由設定點和熱敏電阻電壓之間的差值產生。期望的設定點電壓可以從電位計，DAC或其他電壓源獲得。圖5詳細說明了所需的連接。圖5 溫度點可以從一個電位器或DAC來設置將PID控制器的輸出連接到CTLI。有關詳細信息，請參閱應用程序信息部分。控制I/OTEC電流控制CTLI的電壓直接設定TEC電流。CTLI通常由溫度控制電路CINTOUT的輸出驅動。出于以下等式的目的，假設正TEC電流是加熱的。通過TEC（ITEC）和VCTLI關聯(lián)電流的傳遞函數由下式給出：ITEC = (VCTLI - VREF) / (10 RSENSE)

17、其中VREF為1.50V以及ITEC =（VOS1 - VCS）/ RSENSEVCTLI以REF（1.50V）為中心。當VCTLI = 1.50V時，ITEC為零。當VCTLI 1.50V時，MAX1978正在加熱。當前流量從OS2到OS1。電壓是：VOS2 VOS1 VCS當VCTLI 1.50V時，電流從OS1流向OS2：VOS2 VOS1 VCS關機控制將驅動為低電平，使MAX1978 / MAX1979進入省電關斷模式。 當MAX1978 / MAX1979處于關斷狀態(tài)時，TEC關閉（VOS1和VOS2衰減至GND），輸入電源電流降至2mA（典型值）。ITEC輸出ITEC是狀態(tài)輸出，

18、提供與實際TEC電流成比例的電壓。 當TEC電流為零時，ITEC = REF。ITEC輸出的傳遞函數：VITEC = 1.50 + 8 (VOS1 - VCS)使用ITEC監(jiān)控通過TEC的冷卻或加熱電流。ITEC可以驅動的最大電容為100pF。應用信息MAX1978 / MAX1979在熱控制回路內驅動熱電冷卻器。根據從熱敏電阻或其他溫度測量設備讀取的溫度信息，調節(jié)TEC驅動極性和功率以保持穩(wěn)定的控制溫度。精心挑選的外部組件可實現0.001C的溫度穩(wěn)定性。MAX1978/MAX1979提供精密放大器和積分放大器，用于實現熱控制環(huán)路（圖1和圖2）。連接和補償熱控制回路通常，熱回路由誤差放大器和比

19、例積分微分控制器（PID）組成（圖4）。在補償熱回路之前，必須了解TEC模塊的熱響應。特別是，由于廢熱的影響，TEC通常具有比冷卻能力更強的加熱能力。在分析TEC響應時考慮這一點。使用信號分析儀分析TEC可以簡化補償計算。大多數TEC可以粗略地建模為雙極系統(tǒng)。由于相關的180相移，第二極可能產生振蕩狀態(tài)。主極點補償方案不實用，因為交叉頻率（波德圖中增益為零dB的點）必須低于TEC的第一極點，通常低至0.02Hz。這需要過大的積分電容，并導致慢的環(huán)路瞬態(tài)響應。更好的方法是使用PID控制器，其中使用兩個額外的零來取消TEC和積分器極點。使用PID控制器時，可以在TEC第二極的頻率附近實現足夠的相位

20、裕度。以下是使用PID控制器的補償程序示例。圖6詳細介紹了典型TEC模塊的雙極傳遞函數。該波特圖可以用一個信號分析器驅動的CTLI輸入MAX1978 / MAX1979而產生，同時劃分來自該模塊熱敏電阻的電壓。對于示例模塊，兩個極點為0.02Hz和1Hz。補償控制回路的第一步涉及選擇元件R3和C2以獲得最高的DC增益。薄膜電容器提供最低的泄漏但可能很大。陶瓷電容器是低泄漏和小尺寸之間的良好折衷。鉭電容和電解電容具有最高的泄漏，通常不適合這種應用。積分電容C2和R3（圖4）設置第一個零點（fz1）。具體應用決定了應該設置第一個零的位置。選擇非常低的頻率會產生非常大的電容值。將第一個零頻率設置為不超過最低TEC極點頻率的8倍。將頻率設置為最低極點的8倍會導致相位降至-135以下，并可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于此示例，C2 =10F。然后，電阻器R3使用以下等式將零點設置為0.16Hz：fz1=12C2R3這產生R3 =99.47k的值。對于我們的示例，請使用100k。接下來，調整交叉頻率的增益，以獲得TEC第二極附近的最大相位裕度。從圖6中可以看出TEC波特圖，將0dB交叉點移動到1.5Hz需要大約30dB的增