MAX1978中文数据手册.docx
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MAX1978中文数据手册
用于Peltier模块的集成温度控制器
概论
MAX1978/MAX1979是用于Peltier热电冷却器（TEC）模块的最小，最安全，最精确完整的单芯片温度控制器。
片上功率FET和热控制环路电路可最大限度地减少外部元件，同时保持高效率。
可选择的500kHz/1MHz开关频率和独特的纹波消除方案可优化元件尺寸和效率，同时降低噪声。
内部MOSFET的开关速度经过优化，可降低噪声和EMI。
超低漂移斩波放大器可保持±0.001°C的温度稳定性。
直接控制输出电流而不是电压，以消除电流浪涌。
独立的加热和冷却电流和电压限制提供最高水平的TEC保护。
MAX1978采用单电源供电，通过在两个同步降压调节器的输出之间偏置TEC，提供双极性±3A输出。
真正的双极性操作控制温度，在低负载电流下没有“死区”或其他非线性。
当设定点非常接近自然操作点时，控制系统不会捕获，其中仅需要少量的加热或冷却。
模拟控制信号精确设置TEC电流。
MAX1979提供高达6A的单极性输出。
提供斩波稳定的仪表放大器和高精度积分放大器，以创建比例积分（PI）或比例积分微分（PID）控制器。
仪表放大器可以连接外部NTC或PTC热敏电阻，热电偶或半导体温度传感器。
提供模拟输出以监控TEC温度和电流。
此外，单独的过热和欠温输出表明当TEC温度超出范围时。
片上电压基准为热敏电阻桥提供偏置。
MAX1978/MAX1979采用薄型48引脚薄型QFN-EP封装，工作在-40°C至+85°C温度范围。
采用外露金属焊盘的耐热增强型QFN-EP封装可最大限度地降低工作结温。
评估套件可用于加速设计。
应用
光纤激光模块典型工作电路出现在数据手册的最后。
WDM，DWDM激光二极管温度控制
光纤网络设备
EDFA光放大器
电信光纤接口
ATE
特征
♦尺寸最小，最安全，最精确完整的单芯片控制器
♦片上功率MOSFET-无外部FET
♦电路占用面积<0.93in2
♦回路高度<3mm
♦温度稳定性为0.001°C
♦集成精密积分器和斩波稳定运算放大器
♦精确，独立的加热和冷却电流限制
♦通过直接控制TEC电流消除浪涌
♦可调节差分TEC电压限制
♦低纹波和低噪声设计
♦TEC电流监视器
♦温度监控器
♦过温和欠温警报
♦双极性±3A输出电流（MAX1978）
♦单极性+6A输出电流（MAX1979）
订购信息
部件
温度范围
引脚封装
MAX1978ETM
-40°Cto+85°C
48ThinQFN-EP*
MAX1979ETM
-40°Cto+85°C
48ThinQFN-EP
*EP=裸焊盘。
引脚配置
绝对最大额定值
VDDtoGND..............................................................-0.3Vto+6V
SHDN,MAXV,MAXIP,MAXIN,CTLI,OT,UTtoGND............................................-0.3Vto+6V
FREQ,COMP,OS1,OS2,CS,REF,ITEC,AIN+,AIN-,AOUT,INT-,INTOUT,BFB+,BFB-,FB+,FB-,DIFOUTtoGND......................................-0.3Vto（VDD+0.3V）
PVDD1,PVDD2toVDD...........................................-0.3Vto+0.3
VPVDD1,PVDD2toGND...............................-0.3Vto（VDD+0.3V）
PGND1,PGND2toGND.......................................-0.3Vto+0.3V
COMP,REF,ITEC,OT,UT,INTOUT,DIFOUT,BFB-,BFB+,AOUTShorttoGND.............................Indefinite
PeakLXCurrent（MAX1978）（Note1）.................................±4.5A
PeakLXCurrent（MAX1979）（Note1）....................................+9A
ContinuousPowerDissipation（TA=+70°C）48-LeadThinQFN-EP
（derate26.3mW/°Cabove+70°C）（Note2）.................2.105W
OperatingTemperatureRanges
MAX1978ETM..................................................-40°Cto+85°C
MAX1979ETM..................................................-40°Cto+85°C
MaximumJunctionTemperature.....................................+150°C
StorageTemperatureRange.............................-65°Cto+150°C
LeadTemperature（soldering,10s）.................................+300°C
注1：
LX具有PGND和PVDD的内部钳位二极管。
正向偏置这些二极管的应用不应超过IC的封装功耗限制。
注2：
焊接下侧金属块到PC板接地层。
超出“绝对最大额定值”下列出的应力可能会对器件造成永久性损坏。
这些仅是应力额定值，并不暗示器件在这些或任何其他条件下的功能操作超出规范的操作部分中指出的条件。
长时间暴露在绝对最大额定值条件下可能会影响器件的可靠性。
管脚描述
引脚
名称
功能
1
OS2
输出检测2.OS2检测差分TEC电压的一侧。
OS2是一个感知点，而不是功率输出。
2,8,29,35
NC
没有内部连接
3，5
PGND
电源地2.内部同步整流器接地连接。
在电源接地层将所有PGND引脚连接在一起。
4,6,9
LX2
电感2连接。
将所有LX2引脚连接在一起。
使用MAX1979时，将LX2连接到LX1。
7,10
PVDD2
电源2输入。
必须与VDD的电压相同。
在VDD电源层连接所有PVDD2输入。
用10μF陶瓷电容旁路至PGND2。
11
SHDN
关机控制输入。
低电平有效关断控制
12
OT
低温报警。
如果温度反馈低于设定点电压20mV（通常为+1.5°C），则漏极开路输出拉低。
13
UT
低温报警。
如果温度反馈低于设定点电压20mV（通常为+1.5°C），则漏极开路输出拉低。
14
INOUT
积分器放大器输出。
通常连接到CTLI。
15
INT-
积分器放大器反相输入。
通常通过热补偿网络连接到DIFOUT。
16,25,26,42,43
GND
模拟地。
将所有GND引脚连接到模拟地平面。
17
DIFOUT
斩波稳定仪表放大器输出。
差分增益为50✕（FB+-FB-）。
18
FB-
斩波稳定仪表放大器反相输入端。
连接热敏电阻桥。
19
FB+
斩波稳定仪表放大器同相输入端。
连接热敏电阻桥。
20
BFB-
斩波稳定缓冲FB-输出。
用于监控热敏电阻桥电压。
21
BFB+
斩波稳定缓冲FB+输出。
用于监控热敏电阻桥电压。
22
AIN+
非专用斩波稳定放大器同相输入
23
AIN-
非专用斩波稳定放大器反相输入
24
AOUT
非专用斩波稳定放大器输出
27,30
PVDD1
电源1输入。
必须与VDD的电压相同。
在VDD电源层连接所有PVDD1输入。
用10μF陶瓷电容旁路至PGND1。
28,31,33
LX1
电感1连接。
将所有LX1引脚连接在一起。
使用MAX1979时，将LX1连接到LX2。
32,34
PGND
电源地1.内部同步整流器接地连接。
在电源接地层将所有PGND引脚连接在一起。
36
FREQ
开关频率选择。
低=500kHz，高=1MHz。
37
ITEC
TEC电流监视器输出。
ITEC输出电压是TEC电流电阻器两端电压的函数。
VITEC=1.50V+（VOS1-VCS）✕8。
38
CMOP
电流控制环路补偿。
对于大多数设计，请在COMP和GND之间连接一个10nF电容。
39
MAXIP
最大正TEC电流。
将MAXIP连接到REF以设置默认正电流限制
。
40
MAXIN
最大负TEC电流。
将MAXIN连接到REF以设置默认负电流限制
。
使用MAX1979时，将MAXIN连接到GND。
41
MAXV
最大双极TEC电压。
连接REF和GND之间的外部电阻分压器，以设置TEC上的最大电压。
最大TEC电压为4✕VMAXV。
44
VDD
模拟电源电压输入。
用10μF陶瓷电容旁路至GND。
45
CTLI
TEC电流控制输入。
设置进入TEC的差分电流。
中心点为1.50V（无TEC电流）。
使用热控制回路时连接到INTOUT。
ITEC=（VOS1-VCS）/RSENSE=（VCTLI-1.50）/（10✕RSENSE）。
当（VCLTI-VREF）>0时，VOS2>VOS1>VCS。
46
REF
1.5V参考电压输出。
用1μF陶瓷电容将REF旁路至GND。
47
CS
电流检测输入。
在CS和OS1之间监视通过TEC的电流。
最大TEC电流为150mV/RSENSE，MAX1978为双极性。
MAX1979TEC电流为单极性。
48
OS1
输出检测1.OS1检测差分TEC电压的一侧。
OS1是感测点，而不是功率输出。
功能框图
详细说明
功率级
MAX1978/MAX1979热电冷却器（TEC）温度控制器的功率级由两个开关降压调节器组成，它们共同工作以直接控制TEC电流。
这种配置在TEC上产生差分电压，允许双向TEC电流用于控制冷却和加热。
可控制的冷却和加热使精确的TEC温度控制在激光驱动器规格的严格公差范围内。
CTLI的电压直接设定TEC电流。
内部热控制回路驱动CTLI以调节TEC温度。
片上热控制电路可配置为实现0.001°C的温度控制稳定性。
图1显示了典型的TEC热控制电路。
纹波消除
MAX1978/MAX1979中使用的开关稳压器固有地在每个共模输出上产生纹波电压。
MAX1978中的稳压器同相切换并提供互补的同相占空比，因此差分TEC输出的纹波波形会大大降低。
此功能可抑制TEC处的纹波电流和电噪声，以防止干扰激光二极管，同时最大限度地减小输出电容滤波器的尺寸。
开关频率
FREQ设置内部振荡器的开关频率。
当FREQ=GND时，振荡器频率为500kHz。
当FREQ=VDD时，振荡器频率为1MHz。
1MHz设置允许最小电感和滤波电容值。
500kHz设置可优化效率。
电压和电流限制设置
MAX1978和MAX1979提供设置以限制最大差分TEC电压。
向MAXV施加电压会将TEC上的最大电压限制为±（4✕VMAXV）。
MAX1978还限制了最大的正和负TEC电流。
施加到MAXIP和MAXIN的电压独立设置最大正负输出电流限制。
MAX1979仅在一个方向上控制TEC电流，因此最大电流仅通过MAXIP设置。
使用MAX1979时，MAXIN必须连接到GND。
斩波稳定仪表放大器
MAX1978和MAX1979包括一个斩波输入仪表放大器，其固定增益为50.外部热传感器（通常为热敏电阻）连接到其中一个放大器输入。
另一个输入连接到表示温度设定点的电压。
该设定点可以从抗分辨器网络或DAC导出。
随附的仪表放大器提供低失调漂移，以防止温度设定点随环境温度变化而漂移。
通过使用如图1所示的放大器，可以在0°C至+50°C的环境温度范围内实现0.001°C的温度稳定性.DIFOUT是仪表放大器输出，与设定点之差的50倍成比例温度和TEC温度。
这种差异通常被称为“误差信号”。
为获得最佳温度稳定性，请从驱动热敏电阻的相同参考电压（通常为MAX1978/MAX1979REF输出）获得设定点电压。
这称为“比例”或“桥接”连接。
桥接连接通过消除REF漂移作为误差源来优化稳定性。
REF的误差无效，因为它们会同等地影响热敏电阻和设定点。
仪表放大器采用斩波输入方案，以最大限度地减少输入失调电压和漂移。
这会在DIFOUT处产生等于斩波频率的输出纹波。
DIFOUT峰峰值纹波幅度通常为100mV，但对温度稳定性没有影响。
在下一阶段，积分器会对DIFOUT纹波进行滤波。
斩波频率从功率级的开关频率导出并与其同步。
积分放大器
MAX1978/MAX1979提供片上积分放大器。
放大器的同相端子内部连接到REF。
在DIFOUT和INT-之间连接适当的电阻和电容网络，并将INTOUT连接到CTLI以进行典型操作。
CTLI直接控制TEC电流幅度和极性。
热控制回路动态由积分器输入和反馈组件设置。
有关热环路补偿的详细信息，请参见“应用信息”部分。
电流监视器输出
ITEC提供与TEC电流成比例的电压输出ITEC（参见功能框图）：
VITEC=1.5V+8✕（VOS1-VCS）
过温和欠温报警
MAX1978/MAX1979提供开漏状态输出，可在TEC温度超过或低于设定温度时向微控制器发出警报。
当V（FB1+-FB-）大于20mV时，OT和UT拉低。
对于典型的热敏电阻连接，这会导致大约1.5°C的误差。
参考输出
MAX1978/MAX1979内置1.5V基准电压源，温度精度可达1％。
用1μF旁路REF至GND。
如图1和图2所示，REF可用于偏置外部热敏电阻进行温度检测。
请注意，REF的1％精度并不限制MAX1978/MAX1979可实现的温度稳定性。
这是因为热敏电阻和设定点桥臂旨在由相同的参考源（REF）按比例驱动。
然后桥接驱动电压的变化抵消并且不产生误差。
因此，MAX1978/MAX1979基准电压源可实现0.001°C的稳定温度控制。
可以使用外部源来偏置热敏电阻桥。
为获得最佳精度，应用于FB+和FB-的共模电压应保持在0.5V至1V之间，但如果仪表放大器的某些偏移偏移（约-50μV/），则输入范围可从0.2V扩展至VDD/2V）可以容忍。
该偏移随温度保
图2MAX1979典型应用电路
持恒定，并且不会导致设定点漂移。
缓冲输出，BFB+和BFB
BFB+和BFB-输出分别出现在FB+和FB-上的缓冲版电压。
缓冲器通常与非专用斩波放大器一起使用，以创建热敏电阻电压/TEC温度的监视器（图1和图2）。
这些缓冲器是单位增益斩波放大器，具有输出纹波。
如有必要，可以对每个输出进行集成或过滤，以消除纹波内容。
非专用斩波稳定放大器
除了DIFOUT和BFB_的斩波放大器外，MAX1978/MAX1979还在AOUT处增加了一个斩波放大器。
该放大器未提交，但旨在提供温度比例模拟输出。
热敏电阻电压通常通过包含的缓冲器BFB+和BFB-连接到非专用斩波放大器。
图3显示了如何将非专用放大器配置为热敏电阻电压监视器。
AOUT的输出电压不是精确的线性，因为热敏电阻不是线性的。
AOUT也是稳定斩波器并具有输出纹波，可以集成或滤波，以便在必要时消除纹波内容。
图3热敏电阻电压监视器
设计过程
电感的选择
小型表面贴装电感器非常适合与MAX1978/MAX1979配合使用。
选择输出电感，使电感和输出电容的LC谐振频率小于所选开关频率的1/5。
例如，3.0μH和1μF在92kHz时具有谐振，这足以用于500kHz操作。
式中：
fLC=输出滤波器的谐振频率。
电容的选择
滤波电容
使用靠近电源引脚的10μF陶瓷电容将每个电源输入（VDD，PVDD1和PVDD2）去耦。
如果长电源线将源电源与MAX1978/MAX1979分开，或者源电源具有高输出阻抗，则在VDD电源层和电源地之间再加一个22μF至100μF的陶瓷电容。
电源旁路不足会导致电源反弹并降低精度。
补偿电容
包含一个补偿电容，以确保电流功率控制环路的稳定性。
选择电容，使电流控制环的单位增益带宽小于或等于输出滤波器的谐振频率的10％：
式中：
=单位增益带宽频率
=环路跨导，通常为100μA/V.
CCOMP=补偿电容的值
RTEC=TEC串联电阻
RSENSE=检测电阻
设定电压和电流限制
考虑TEC参数以保证稳健的设计。
这些参数包括最大正电流，最大负电流和TEC上允许的最大电压。
这些限制应用于设置MAXIP，MAXIN和MAXV电压。
设置最大正和负TEC电流
MAXIP和MAXIN分别设置最大正和负TEC电流。
当MAXIP和MAXIN连接到REF时，默认电流限制为±150mV/RSENSE。
要设置除默认值以外的最大限制，请在REF和GND之间连接一个电阻分压器以设置VMAXIN。
使用10kΩ至100kΩ范围内的电阻。
VMAXIN通过以下等式与ITEC相关：
VMAXIP=10∙（ITECP（MAX）✕RSENSE）
VMAXIN=10∙（ITECN（MAX）✕RSENSE）
其中ITECP（MAX）是最大正TEC电流，ITECN（MAX）是最大负TEC电流。
当CS小于OS1时，会出现正TEC电流：
ITEC✕RSENSE=CS-OS1当ITEC<0.
ITEC✕RSENSE=OS1-CS当ITEC>0.
MAX1979仅在一个方向（单极性）上控制TEC电流。
通过向MAXIP施加电压来设置最大单极TEC电流。
使用MAX1979时，将MAXIN连接到GND。
MAX1978和MAX1979的MAXIP设置公式相同。
不要超过TEC上的正或负限流规格。
有关这些限制，请参阅TEC制造商的数据表。
设置最大TEC电压
向MAXV施加电压以控制最大差分TEC电压。
MAXV可以在0到REF之间变化。
TEC两端的电压是VMAXV的四倍，可以是正的也可以是负的。
|VOS1-VOS2|=4✕VMAXV
使用10kΩ至100kΩ的电阻来形成电压分压器以设置VMAXV。
热控回路
图4比例积分微分控制器
MAX1978/MAX1979提供创建热控制环路所需的所有必要放大器。
通常，斩波稳定的仪表放大器产生误差信号，积分放大器用于产生PID控制器。
图4显示了一个简单PID实现的示例。
控制环路所需的误差信号由设定点和热敏电阻电压之间的差值产生。
期望的设定点电压可以从电位计，DAC或其他电压源获得。
图5详细说明了所需的连接。
图5温度点可以从一个电位器或DAC来设置
将PID控制器的输出连接到CTLI。
有关详细信息，请参阅应用程序信息部分。
控制I/O
TEC电流控制
CTLI的电压直接设定TEC电流。
CTLI通常由温度控制电路CINTOUT的输出驱动。
出于以下等式的目的，假设正TEC电流是加热的。
通过TEC（ITEC）和VCTLI关联电流的传递函数由下式给出：
ITEC=（VCTLI-VREF）/（10✕RSENSE）
其中VREF为1.50V
以及ITEC=（VOS1-VCS）/RSENSE
VCTLI以REF（1.50V）为中心。
当VCTLI=1.50V时，ITEC为零。
当VCTLI>1.50V时，MAX1978正在加热。
当前流量从OS2到OS1。
电压是：
VOS2>VOS1>VCS
当VCTLI<1.50V时，电流从OS1流向OS2：
VOS2关机控制
将——S——H——D——N驱动为低电平，使MAX1978/MAX1979进入省电关断模式。
当MAX1978/MAX1979处于关断状态时，TEC关闭（VOS1和VOS2衰减至GND），输入电源电流降至2mA（典型值）。
ITEC输出
ITEC是状态输出，提供与实际TEC电流成比例的电压。
当TEC电流为零时，ITEC=REF。
ITEC输出的传递函数：
VITEC=1.50+8✕（VOS1-VCS）
使用ITEC监控通过TEC的冷却或加热电流。
ITEC可以驱动的最大电容为100pF。
应用信息
MAX1978/MAX1979在热控制回路内驱动热电冷却器。
根据从热敏电阻或其他温度测量设备读取的温度信息，调节TEC驱动极性和功率以保持稳定的控制温度。
精心挑选的外部组件可实现0.001°C的温度稳定性。
MAX1978/MAX1979提供精密放大器和积分放大器，用于实现热控制环路（图1和图2）。
连接和补偿热控制回路
通常，热回路由误差放大器和比例积分微分控制器（PID）组成（图4）。
在补偿热回路之前，必须了解TEC模块的热响应。
特别是，由于废热的影响，TEC通常具有比冷却能力更强的加热能力。
在分析TEC响应时考虑这一点。
使用信号分析仪分析TEC可以简化补偿计算。
大多数TEC可以粗略地建模为双极系统。
由于相关的180°相移，第二极可能产生振荡状态。
主极点补偿方案不实用，因为交叉频率（波德图中增益为零dB的点）必须低于TEC的第一极点，通常低至0.02Hz。
这需要过大的积分电容，并导致慢的环路瞬态响应。
更好的方法是使用PID控制器，其中使用两个额外的零来取消TEC和积分器极点。
使用PID控制器时，可以在TEC第二极的频率附近实现足够的相位裕度。
以下是使用PID控制器的补偿程序示例。
图6详细介绍了典型TEC模块的双极传递函数。
该波特图可以用一个信号分析器驱动的CTLI输入MAX1978/MAX1979而产生，同时划分来自该模块热敏电阻的电压。
对于示例模块，两个极点为0.02Hz和1Hz。
补偿控制回路的第一步涉及选择元件R3和C2以获得最高的DC增益。
薄膜电容器提供最低的泄漏但可能很大。
陶瓷电容器是低泄漏和小尺寸之间的良好折衷。
钽电容和电解电容具有最高的泄漏，通常不适合这种应用。
积分电容C2和R3（图4）设置第一个零点（fz1）。
具体应用决定了应该设置第一个零的位置。
选择非常低的频率会产生非常大的电容值。
将第一个零频率设置为不超过最低TEC极点频率的8倍。
将频率设置为最低极点的8倍会导致相位降至-135°以下，并可能导致系统不稳定。
对于此示例，C2=10μF。
然后，电阻器R3使用以下等式将零点设置为0.16Hz：
这产生R3=99.47kΩ的值。
对于我们的示例，请使用100kΩ。
接下来，调整交叉频率的增益，以获得TEC第二极附近的最大相位裕度。
从图6中可以看出TEC波特图，将0dB交叉点移动到1.5Hz需要大约30dB的增益。
误差放大器提供50的固定增益，或大约34dB。
因此，积分器需要在1.5Hz下提供-4dB的增益。
C1和R3设置交叉频率的增益。
这
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