基于DRV824X-Q1系列的TEC控制系統

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）溫度控制系統具有體積小，重量輕，制冷速度快，控制方式簡單靈活等優勢。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發熱。

圖2 TEC溫度控制原理

由于TEC制冷和發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，此時需要高于能夠承受10A的電流驅動電路。傳統的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。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、以確保器件穩健性。

1. 過流保護(OCP)和過溫保護

在發生硬短路事件時，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的負載監控功能(OLP)

當功率FET關斷時，可以待機狀態下確定OUTx節點的阻抗。通過此診斷、可以被動檢測待機狀態下的以下故障情況，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驅動器發出的下拉電流(IPD_OLA)，可以觀察到該電壓尖峰。在3個連續再循環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