Увеличение КПД малошумящего аналогового драйвера TEC

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2019

Dave Conrad

EDN

В типичном драйвере термоэлектрического охладителя (ThermoElectric Cooler – TEC) для управления схемой H-моста может использоваться широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Такая схема работоспособна, но управляет TEC посредством очень больших импульсов тока. Эти прямоугольные импульсы, размах которых часто достигает значения максимально допустимого тока TEC, могут создавать значительные помехи на шинах питания и земли печатной платы, способные нарушать работу чувствительных аналоговых цепей. Конечно, для уменьшения шума, вызванного ШИМ, можно использовать шумовые фильтры и специальные методы разводки печатных плат, но эти меры могут усложнить конструкцию и, тем не менее, не обеспечить снижения шума, достаточного для чувствительных цепей.

Одним из решений было бы использование для управления TEC линейной схемы, исключающей сильноточные импульсы драйвера ШИМ. Однако линейные драйверы имеют невысокий КПД, что увеличивает рассеивание тепла в управляемых устройствах.

В данной статье предлагается третий подход, основанный на драйвере с топологией H-моста. Для снижения тепловых потерь проходные транзисторы в этой схеме работают в режимах, близких к насыщению. После ознакомления со схемой мы сравним варианты с напряжениями питания 5 В и 3.3 В.

Использование в нижнем плече моста управляемых напряжением источников втекающего тока, работающих вблизи насыщения при максимальных токах, и полностью насыщенных переключателей в верхнем плече позволит нам снизить напряжение источника питания до точки, где сумма падений напряжений на проходных транзисторах и нагрузке лишь чуть меньше напряжения питания, необходимого для обеспечения максимального выходного тока драйвера (Рисунок 1).

Рисунок 1.	H-мост управляется аналоговыми сигналами для управляемых напряжением источников втекающего тока в нижнем плече и цифровыми сигналами для переключения полярности тока, которая изменяет направление теплового потока.

При использовании такой архитектуры напряжение источника питания можно регулировать, чтобы минимизировать потери энергии, в тоже время, позволяя току, проходящему через TEC, при необходимости достигать значений, близких к максимально допустимому. Выбор MOSFET с очень низкими сопротивлениями открытых каналов и токоизмерительных резисторов с минимально возможными сопротивлениями может помочь снизить рассеиваемую мощность. Пороговое напряжение используемых с схеме MOSFET должно быть меньше 2 В.

Рисунок 2.	Когда напряжение питания V1 равно 5 В, максимальная мощность, рассеиваемая транзистором драйвера M1, составляет 3.15 Вт при токе TEC, равном 1.25 А. При максимальном токе 2.0 А M1 рассеивает мощность 1.9 Вт. (По горизонтали – управляющее напряжение V2).

За счет снижения напряжения питания с 5 В до 3.3 В максимальный ток был уменьшен с 2 А при входном напряжении 2 В до 1.63 А при входном напряжении 1.63 В (Рисунки 2 и 3). До тех пор, пока это не затрагивает требуемые характеристики тепловой производительности конструкции, преимущества очевидны; пиковая мощность, рассеиваемая на проходных транзисторах, была снижена с 3.3 Вт до 0.8 Вт, что означает сокращение тепловых потерь на 75%.

Рисунок 3.	Снижение напряжения источника питания V1 до 3.3 В уменьшает пиковую мощность, рассеиваемую транзистором драйвера M1, до 1.35 Вт при токе TEC, равном 0.8 А. При максимальном токе 1.65 А M1 рассеивает мощность всего 20 мВт. (По горизонтали – управляющее напряжение V2).

Мощность, рассеиваемая в транзисторе M1 при токе 1.63 А (при сравнении случаев с одинаковыми токами нагрузки и напряжениями питания 5 В и 3.3 В), была снижена с 2 Вт до приблизительно 20 мВт (Рисунок 3).

В транзисторах M3 и M4 максимальная мощность рассеивается при максимальном токе. Эти устройства работают в режимах насыщения или отсечки, поэтому рассеиваемая ими мощность никогда не превышает нескольких десятков милливатт.

Это линейное решение с высоким КПД особенно подходит для приложений с термоэлектрическими охладителями, питаемых от батарей. Схема также обеспечивает преимущества в системах с питанием от сети переменного тока, устраняя электрические помехи, создаваемые импульсами тока с крутыми фронтами.

Пример схемы на Рисунке 1 для простоты показывает только охлаждение (или нагрев, в зависимости о того, как установлен TEC), но схема может быть легко адаптирована для двухрежимной работы. В тех случаях, когда необходимо цифровое управление, достаточно просто подключить цепи управления TEC к цифровым и аналоговым выходам микроконтроллера, чтобы обеспечить как нагрев, так и охлаждение.

Материалы по теме