数明半导体TEC控制器SLM8834的TEC输出电压和输出限流如何设定？

时间： 2023-11-03 来源：数明半导体微信公众号

技术问答

本应用笔记主要阐述了为何TEC系统设计需要考虑输出限压和输出限流，以及SLM8834如何在应用电路中设定TEC最大电压和最大电流输出，同时介绍了SLM8834输出限压和输出限流电路的工作原理。

01、SLM8834工作原理

SLM8834是一款集成控制环路的TEC控制器，可设置和稳定TEC温度。包括一个线性功率模块，一个PWM开关功率模块和两个零漂移，轨对轨的运算放大器。SLM8834控制一个内部功率H桥，从而通过TEC馈送的电流方向可以是正的（用于冷却模式），以将热量从连接到TEC的物体中抽走，也可以是负的（用于加热模式），以将热量抽入连接到TEC的物体中。温度信息用附着在TEC上的热传感器测量，并将感测到的温度信息（电压）反馈到 SLM8834，以完成TEC的闭环热控回路。为了获得最佳的整体稳定性，需将热传感器尽量靠近TEC耦合以获得精确的温度反馈。在大多数激光模块应用中，TEC和NTC热敏电阻已经安装在同一封装中以调节激光二极管温度。

SLM8834的温度控制回路是利用内置的零漂移斩波放大器通过PID补偿来稳定。内部产生的2.50V参考电压可提供1%的精准参考电压。

02、为何TEC系统需要电压和电流限值

为了稳定TEC工作温度，输出到 TEC的电压和电流会根据控制器的输出而进行实时调整，当温控系统启动时，环境温度和目标控制温度差距较大，TEC的电压和电流也会较大，此时需要控制器限制TEC的电压和电流工作在TEC允许的最大范围内，以保护TEC避免损坏。甚至在某些环路不匹配条件下，过大的电压和电流输出会在系统启动过程中造成震荡问题。

另外，如果TEC的设定最大电压和电流过小，会导致温度调整过程过长，不能满足系统调温的实时性需求。

因此，选择合适的TEC电压限值和电流限值在设计整个TEC控制器过程中是必须考虑的。无论是在加热或者制冷模式下，都需要设定合适的TEC电压和电流限值。下面介绍SLM8834如何通过设定TEC的电压和电流限值。

03、使用电阻分压器设置TEC电压限值

TEC两端的最大电压和流过TEC的电流通过VLIM/SD和ILIM引脚设置。最大冷却和加热电流可以独立设置，以允许不对称的加热和冷却限制。

使用同一个电阻分压器可以实现分别设置加热和制冷的电压限值。当SLM8834在加热方向驱动TEC时，加热开关导通，连接到VLIM/SD的内部电流源工作并开始汲取电流，从而降低VLIM/SD处的电压。当TEC在冷却方向上被驱动时，内部开关关断，电流吸收器不起作用。因此，TEC加热电压极限总是低于制冷电压极限。

SLM8834使用电阻分压器设置TEC电压限值

图1

使用以下公式计算制冷和加热限值：

V_{VLIM_COOLING}=V_REF×R_V2/(R_V1+R_V2)

其中V_REF=2.5V.

V_{VLIM_HEATING}=V_{VLIM_COOLING}−I_{SINK_VLIM}×R_V1||R_V2

其中I_{SINK_VLIM}=10μA.

V_{TEC_MAX_COOLING}=V_{VLIM_COOLING}×A_VLIM

其中A_VLIM=2V/V.

V_{TEC_MAX_HEATING}=V_{VLIM_HEATING}×A_VLIM

另外，VTEC管脚的电压为：

V_VTEC=1.25V+0.25×V_TEC

其中V_TEC为TEC两端电压，即V_LDR-V_SFB

下列表格为不同的电阻分压分别得到各个V_TEC，V_VTEC，V_VLIM的值。

V_{VLIM_COOLING}为制冷状态下VLIM管脚的设定电压值。

V_{TEC_MAX_COOLING}为制冷状态下设定TEC两端电压最大值。

V_{VTEC_COOLING}为制冷状态下发生限压时VTEC管脚的电压值。

V_{VLIM_HEATING}为制热状态下VLIM管脚的设定电压值。

V_{TEC_MAX_HEATING}为制热状态下设定的TEC两端电压最大值。

V_{VTEC_HEATING}为制热状态下发生限压时VTEC管脚的电压值。

04、使用电阻分压器设置TEC电流限值

通过在ILIM引脚上施加电压分压来设置制冷和加热方向上的单独最大TEC电流限值。当SLM8834沿冷却方向驱动TEC时，连接到ILIM的内部电流吸收器电路汲取40μA电流，从而允许高冷却电流。使用以下公式计算最大TEC电流：

V_{ILIM_HEATING}=V_REF×R_C2/(R_C1+R_C2)

其中V_REF=2.5V.

V_{ILIM_COOLING}=V_{ILIM_HEATING}+ I_{SINK_ILIM}×R_C1||R_C2

其中I_{SINK_ILIM}=40μA.

其中R_CS= 0.525V/A.

V_{ILIM_HEATING}不得超过1.2V并且V_{ILIM_COOLING}必须超过1.3V，以便在加热和制冷模式之间留出适当的裕度。

SLM8834使用电阻分压器设置TEC电流限值

如下表格：设置最大TEC电流值

V_{ILIM_COOLING}为制冷状态下ILIM管脚的设定电压值。

I_{TEC_MAX_COOLING}为制冷状态下TEC最大电流设定值。

V_{ITEC_COOLING}为制冷状态下发生限流时ITEC管脚电压值。

V_{ILIM_HEATING}为制热状态下ILIM管脚的设定电压值。

I_{TEC_MAX_HEATING}为制热状态下TEC最大电流设定值。

V_{VTEC_HEATING}为制热状态下发生限流时ITEC管脚电压值。

试验结果

试验1：设置TEC电压限值

R_V1=0.68kohm

R_V2=10kohm

R_V1//R_V2=0.64kohm

制冷模式下的TEC电压限值图

制热模式下的TEC电压限值

试验结果表明，在制冷模式下，测得VLIM管脚电压为2.32V，VTEC管脚电压为2.42V，TEC两端电压为4.56V。

在制热模式下，测得VLIM管脚电压为2.36V，VTEC管脚电压为0.08V，TEC两端电压为4.44V。

试验2：设置TEC电压限值

R_V1=56kohm

R_V2=10kohm

R_V1//R_V2=8.48kohm

制冷模式下的TEC电压限值

制热模式下的TEC电压限值

试验结果表明，在制冷模式下，测得VLIM管脚电压为0.38V，VTEC管脚电压为1.52V，TEC两端电压为0.8V。

在制热模式下，测得VLIM管脚电压为0.3V，VTEC管脚电压为1.12V，TEC两端电压为0.58V。

试验3：设置TEC电流限值

R_C1=255kohm

R_C2=51kohm

R_C1//R_C2=42.53kohm

制冷模式下的TEC电流限值图

制热模式下的TEC电流限值

试验结果表明，在制冷模式下，测得ILIM管脚电压为2.16V，ITEC管脚电压为2.16V，TEC限流为1.7A。

在制热模式下，测得ILIM管脚电压为0.42V，ITEC管脚电压为0.42V，TEC限流为1.8A。

试验4：设置TEC电流限值

R_C1=25.5kohm

R_C2=18kohm

R_C1//R_C2=10.55kohm

制冷模式下的TEC电流限值

制热模式下的TEC电流限值

试验结果表明，在制冷模式下，测得ILIM管脚电压为1.48V，ITEC管脚电压为1.50V，TEC限流为428mA。

在制热模式下，测得ILIM管脚电压为1.04V，ITEC管脚电压为1.06V，TEC限流为480mA。

另外，TEC电流越大引起的损耗越大，实验测试值与设定值的偏差会稍大一些；TEC电流相对较小时，实验测试值与设定值基本一致。

总结

SLM8834通过VLIM和ILIM的分压电阻可以分别设定TEC的电压和电流最大限值，同时也能分别设定加热和制冷模式下不同的限值。通过设定TEC的电压限值和电流限值，可以实现保护TEC器件，避免由于过高功率的损坏，另一方面，合适的电压限值和电流限值也能更好的匹配TEC在启动过程中保持良好的动态特性。

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