提高低噪声模拟 TE 冷却器驱动器的效率

热电 (TE) 冷却器应用的典型驱动器可以使用脉冲宽度调制 (PWM) 来驱动 H 桥电路。该方案可行，但会用非常大的电流脉冲驱动 TE 设备。这些方波通常是设备的额定电流，会在 PCB 的电源和接地平面/总线上产生大量噪声，可能会干扰敏感的模拟电路。可以使用噪声滤波器和 PCB 布局技术来降低 PWM 引起的噪声，但这些措施会使设计复杂化，并且可能仍无法为敏感电路提供足够的噪声降低。

一种解决方案是使用线性电路来驱动 TE 冷却器，从而消除 PWM 驱动器的高 dv/dt、高电流脉冲。另一方面，线性驱动器往往效率低下，导致驱动设备散热更多。

本设计理念的电路采用第三种方法，基于 H 桥驱动器拓扑。在该电路中，传输晶体管在接近其饱和点时运行以减少耗散损耗。熟悉电路后，我们将比较5V和3.3V电源电压的情况。

在桥的低压侧使用压控电流吸收器，在满量程下接近饱和运行，在高压侧使用完全饱和的开关，使我们能够将电源电压降低到电压总和下降到传输晶体管和负载的电压刚好低于产生驱动器输出电流所需的电源电压（图 1）。

图 1 H 桥由低侧 V CCS的模拟信号和用于切换电流极性的数字信号驱动，从而反转热流。

驱动晶体管 M3 和 M4 中的耗散出现在满量程电流下。这些器件在饱和或截止状态下运行，因此功耗永远不会超过几十毫瓦。

使用这种架构，可以调整电源电压以限度地减少功率浪费，同时允许接近全额定电流按需流入 TE 冷却器。选择非常低的 R ds(on) FET 和接近实用值的电流检测电阻有助于减少功率浪费。对于此应用，FET 的 Vth规格必须小于 2V。

通过将电源电压从 5V 降低至 3.3V，满量程电流已从 2V 输入时的 2A 降低至 1.63V 输入时的 1.63A（图 2 和图 3 ）。只要这不影响设计的热流要求，好处就很明显；电流传输晶体管的峰值耗散已从 3.3W 降低至 0.8W，热损耗减少了 75%。

驱动器晶体管 M1 在 1.63 A 时的耗散（比较 5V 和 3.3V 电源情况下的相等负载电流）已从 2 W 降低至约 20 mW（图 3 ）。

图 2当电源电压为 5V 时，在 I (TEC) = 1.25 A 时，驱动晶体管 M1 的功耗为 3.15 W。在满量程电流 2.0 A 时，M1 的功耗为 1.9 W。

功耗 3.3V

图 3将电源电压降低至 3.3V 可将驱动器晶体管 M1 的峰值功耗降低至 1.35 W，此时 I (TEC) = 0.8 A。在满量程电流 1.65 A 下，M1 的功耗仅为 20 mW。

驱动晶体管 M3 和 M4 中的耗散出现在满量程电流下。这些器件在饱和或截止状态下运行，因此功耗永远不会超过几十毫瓦。

这种线性驱动器解决方案提供的效率特别适用于电池供电的 TE 冷却器应用。该电路还通过消除由锐边 PWM 电流脉冲产生的电噪声，在交流线路供电系统中提供了优势。

阅读更多设计理念为简单起见，图 1 中的示例电路仅显示冷却（或加热，取决于 TE 冷却器的安装方式）驱动，但它可以轻松适应双模式操作。对于需要数字控制的应用，将冷却器驱动电路连接到微控制器的数字和模拟输出以实现加热和冷却操作相当简单。