基于DRV824X-Q1系列的TEC控制系統(tǒng)

在聚合酶鏈式反應（Polymerase chain reaction, PCR）設備中，需要通過控制試管內的溫度使得管內的DNA進行高溫變性（將DNA解螺旋為雙鏈DNA）、低溫退火（將引物與模板DNA進行互補配對）、中溫延伸（在恒溫的作用下進行擴增）。圖1展示了NDA復制的溫度控制周期。

圖1 PCR的溫度控制曲線

PCR設備中設備升降溫速度和溫度控制精度是很重要的指標。不同于傳統(tǒng)的水浴加熱，風扇制冷的方式，基于半導體制冷片（Thermo Electric Cooler, TEC，也叫Peltier或帕爾貼）溫度控制系統(tǒng)具有體積小，重量輕，制冷速度快，控制方式簡單靈活等優(yōu)勢。TEC的制冷原理如圖2所示，當電壓正向偏置的時候TEC制冷，當電壓反向偏置的時候，TEC發(fā)熱。

圖2 TEC溫度控制原理

由于TEC制冷和發(fā)熱的速率和電流的大小有關。為了快速升溫一般幾個帕爾貼級聯(lián)，此時需要高于能夠承受10A的電流驅動電路。傳統(tǒng)的TEC控制電路使用分立元件搭建H橋驅動，如圖3所示，這種方案設計復雜，尺寸大，但是能夠承受大電流。高度集成節(jié)省布板空間和成本。

圖3 基于H橋的TEC控制電路

DRV824X-Q1在TEC控制中的應用

TI現(xiàn)推出DRV824X-Q1系列的高集成度直流電機驅動方案，其采用BiCMOS高功率工藝技術，可提供出色的功率處理和熱性能，該系列引腳兼容，一旦完成一個設計，容易擴展到這個系列其他的料號。以DRV8245-Q1為例，該器件作為TEC的H橋控制芯片具有以下優(yōu)勢。

一．超高集成度且支持高達32A的輸出驅動電流，并支持100%占空比PWM

其集成了H橋驅動所需的預驅加MOSFET，超高的集成度可以節(jié)約布板空間以及簡化設計。DRV8245-Q1的內部結構如圖4所示。該器件使用TI的HotRodTM QFN (FCOL QFN)封裝，該封裝具有小尺寸、低寄生效應以及支持高電流等優(yōu)勢。HotRodTM QFN封裝技術將這些大功率驅動器的封裝尺寸減小了一半以上、同時仍保持了TEC應用中所需的高電流驅動能力。在H橋驅動中可支持高達32A的峰值電流、在半橋驅動中可支持高達46A的峰值電流。由圖可看出該器件內部集成電荷泵穩(wěn)壓器，可以支持具有100%占空比運行的N溝道MOSFET。表1總結了DRV824X-Q1系列的Ron(LS+HS)參數(shù)。由表可見該系列Ron(LS+HS)最小可達32mΩ。

圖4 DRV8245-Q1內部功能框圖

表1 DRV824X系列的Ron(LS+HS)

二．可配置的壓擺率和SSC(Spread Spectrum Clocking)優(yōu)化EMI

該器件在SPI版本，其SR有8-level的可調設置。由表1可知，通過寫入寄存器S_SR，可隨時更改壓擺率設置。同時SPI版本里面也支持SSC(Spread Spectrum Clocking)。

表2 DRV8245-Q1 SR Table

三．集成各種保護功能

DRV824X-Q1系列集成各種保護功能、以確保器件穩(wěn)健性。

1. 過流保護(OCP)和過溫保護

在發(fā)生硬短路事件時，每個MOSFET上的模擬電流限制電路也會限制器件的峰值電流。如果輸出電流超過過流閾值IOCP的時間超過tOCP，則會檢測到過流故障。

該器件在裸片周圍有多個溫度傳感器。如果任何傳感器檢測到TTSD設置的過熱事件、時間大于tTSD，則檢測到過熱故障。

2. Off-State的負載監(jiān)控功能(OLP)

當功率FET關斷時，可以待機狀態(tài)下確定OUTx節(jié)點的阻抗。通過此診斷、可以被動檢測待機狀態(tài)下的以下故障情況，如圖5所示：

●    輸出對VM或GND短路，阻抗< 100 Ω

●    對于全橋負載或低側負載開路，負載阻抗> 1K Ω

●    在VM=13.5V時，高側開路，負載阻抗> 10k Ω

圖5 全橋狀態(tài)下的Off-State診斷示意圖

3. On-state的負載診斷(OLA)

在PWM開關轉換期間，當LS FET關斷時，感性負載電流通過HS體二極管流入VM。該器件會在OUTx上查找到高于VM的電壓尖峰。當負載電流高于FET驅動器發(fā)出的下拉電流(IPD_OLA)，可以觀察到該電壓尖峰。在3個連續(xù)再循環(huán)開關周期內不存在此電壓尖峰表示負載電感損耗或負載電阻增加、并被檢測為OLA故障。

圖6 On-State診斷示意圖

相關的資料：

●    Reference design

DRV824x-Q1 Automotive Side Mirror Fold Demo – YouTube

●    Technical blog content or white paper

How integrated brushed-DC solutions can reduce size, enhance protection and simplify design in automotive motors

Benefits of flip chip on leadframe packaging for motor-drive applications

●    Selection and design tools and models

DRV8243-Q1, DRV8244-Q1, DRV8245-Q1

Full Bridge Driver Junction Temperature Estimator (Rev. B) can be found under “Design tools & Simulation” on product pages.

●    Development tool or evaluation kit

DRV8243H-Q1EVM, DRV8243S-Q1LEVM, DRV8244H-Q1EVM, DRV8244S-Q1LEVM, DRV8245H-Q1EVM, DRV8245S-Q1LEVM

參考資料：

●    How integrated brushed-DC solutions can reduce size, enhance protection and simplify design in automotive motors

●    DRV8245-Q1 Automotive H-Bridge Driver with Integrated Current Sense and Diagnostics datasheet (Rev. B)

●    PCR反應中的強大新技術：讓基因分析變得更快更便宜