基于DRV824X-Q1系列的TEC控制系統(tǒng)

在聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase chain reaction, PCR）設(shè)備中，需要通過控制試管內(nèi)的溫度使得管內(nèi)的DNA進(jìn)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(jìn)行互補(bǔ)配對(duì)）、中溫延伸（在恒溫的作用下進(jìn)行擴(kuò)增）。圖1展示了NDA復(fù)制的溫度控制周期。

圖1 PCR的溫度控制曲線

PCR設(shè)備中設(shè)備升降溫速度和溫度控制精度是很重要的指標(biāo)。不同于傳統(tǒng)的水浴加熱，風(fēng)扇制冷的方式，基于半導(dǎo)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(shì)。TEC的制冷原理如圖2所示，當(dāng)電壓正向偏置的時(shí)候TEC制冷，當(dāng)電壓反向偏置的時(shí)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(guān)。為了快速升溫一般幾個(gè)帕爾貼級(jí)聯(lián)，此時(shí)需要高于能夠承受10A的電流驅(qū)動(dòng)電路。傳統(tǒng)的TEC控制電路使用分立元件搭建H橋驅(qū)動(dòng)，如圖3所示，這種方案設(shè)計(jì)復(fù)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(yīng)用

TI現(xiàn)推出DRV824X-Q1系列的高集成度直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，其采用BiCMOS高功率工藝技術(shù)，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(gè)設(shè)計(jì)，容易擴(kuò)展到這個(gè)系列其他的料號(hào)。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(shì)。

一．超高集成度且支持高達(dá)32A的輸出驅(qū)動(dòng)電流，并支持100%占空比PWM

其集成了H橋驅(qū)動(dòng)所需的預(yù)驅(qū)加MOSFET，超高的集成度可以節(jié)約布板空間以及簡化設(shè)計(jì)。DRV8245-Q1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)以及支持高電流等優(yōu)勢(shì)。HotRodTM QFN封裝技術(shù)將這些大功率驅(qū)動(dòng)器的封裝尺寸減小了一半以上、同時(shí)仍保持了TEC應(yīng)用中所需的高電流驅(qū)動(dòng)能力。在H橋驅(qū)動(dòng)中可支持高達(dá)32A的峰值電流、在半橋驅(qū)動(dòng)中可支持高達(dá)46A的峰值電流。由圖可看出該器件內(nèi)部集成電荷泵穩(wěn)壓器，可以支持具有100%占空比運(yùn)行的N溝道MOSFET。表1總結(jié)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(dá)32mΩ。

圖4 DRV8245-Q1內(nèi)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(diào)設(shè)置。由表1可知，通過寫入寄存器S_SR，可隨時(shí)更改壓擺率設(shè)置。同時(shí)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(hù)功能

DRV824X-Q1系列集成各種保護(hù)功能、以確保器件穩(wěn)健性。

1. 過流保護(hù)(OCP)和過溫保護(hù)

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

該器件在裸片周圍有多個(gè)溫度傳感器。如果任何傳感器檢測(cè)到TTSD設(shè)置的過熱事件、時(shí)間大于tTSD，則檢測(cè)到過熱故障。

2. Off-State的負(fù)載監(jiān)控功能(OLP)

當(dāng)功率FET關(guān)斷時(shí)，可以待機(jī)狀態(tài)下確定OUTx節(jié)點(diǎn)的阻抗。通過此診斷、可以被動(dòng)檢測(cè)待機(jī)狀態(tài)下的以下故障情況，如圖5所示：

●    輸出對(duì)VM或GND短路，阻抗< 100 Ω

●    對(duì)于全橋負(fù)載或低側(cè)負(fù)載開路，負(fù)載阻抗> 1K Ω

●    在VM=13.5V時(shí)，高側(cè)開路，負(fù)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(fù)載診斷(OLA)

在PWM開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，當(dāng)LS FET關(guān)斷時(shí)，感性負(fù)載電流通過HS體二極管流入VM。該器件會(huì)在OUTx上查找到高于VM的電壓尖峰。當(dāng)負(fù)載電流高于FET驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的下拉電流(IPD_OLA)，可以觀察到該電壓尖峰。在3個(gè)連續(xù)再循環(huán)開關(guān)周期內(nèi)不存在此電壓尖峰表示負(fù)載電感損耗或負(fù)載電阻增加、并被檢測(cè)為OLA故障。

圖6 On-State診斷示意圖

相關(guān)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(yīng)中的強(qiáng)大新技術(shù)：讓基因分析變得更快更便宜