基于DRV824X-Q1系列的TEC控制系统-基于核心素养下的大单元教学设计

在聚合酶链式反应（Polymerase chain reaction, PCR）设备中，需要通过控制试管内的温度使得管内的DNA进行高温变性（将DNA解螺旋为双链DNA）、低温退火（将引物与模板DNA进行互补配对）、中温延伸（在恒温的作用下进行扩增）。图1展示了NDA复制的温度控制周期。

图1 PCR的温度控制曲线

PCR设备中设备升降温速度和温度控制精度是很重要的指标。不同于传统的水浴加热，风扇制冷的方式，基于半导体制冷片（Thermo Electric Cooler, TEC，也叫Peltier或帕尔贴）温度控制系统具有体积小，重量轻，制冷速度快，控制方式简单灵活等优势。TEC的制冷原理如图2所示，当电压正向偏置的时候TEC制冷，当电压反向偏置的时候，TEC发热。

图2 TEC温度控制原理

由于TEC制冷和发热的速率和电流的大小有关。为了快速升温一般几个帕尔贴级联，此时需要高于能够承受10A的电流驱动电路。传统的TEC控制电路使用分立元件搭建H桥驱动，如图3所示，这种方案设计复杂，尺寸大，但是能够承受大电流。高度集成节省布板空间和成本。

图3 基于H桥的TEC控制电路

DRV824X-Q1在TEC控制中的应用

TI现推出DRV824X-Q1系列的高集成度直流电机驱动方案，其采用BiCMOS高功率工艺技术，可提供出色的功率处理和热性能，该系列引脚兼容，一旦完成一个设计，容易扩展到这个系列其他的料号。以DRV8245-Q1为例，该器件作为TEC的H桥控制芯片具有以下优势。

一．超高集成度且支持高达32A的输出驱动电流，并支持100%占空比PWM

其集成了H桥驱动所需的预驱加MOSFET，超高的集成度可以节约布板空间以及简化设计。DRV8245-Q1的内部结构如图4所示。该器件使用TI的HotRodTM QFN (FCOL QFN)封装，该封装具有小尺寸、低寄生效应以及支持高电流等优势。HotRodTM QFN封装技术将这些大功率驱动器的封装尺寸减小了一半以上、同时仍保持了TEC应用中所需的高电流驱动能力。在H桥驱动中可支持高达32A的峰值电流、在半桥驱动中可支持高达46A的峰值电流。由图可看出该器件内部集成电荷泵稳压器，可以支持具有100%占空比运行的N沟道MOSFET。表1总结了DRV824X-Q1系列的Ron(LS+HS)参数。由表可见该系列Ron(LS+HS)最小可达32mΩ。

图4 DRV8245-Q1内部功能框图

表1 DRV824X系列的Ron(LS+HS)

二．可配置的压摆率和SSC(Spread Spectrum Clocking)优化EMI

该器件在SPI版本，其SR有8-level的可调设置。由表1可知，通过写入寄存器S_SR，可随时更改压摆率设置。同时SPI版本里面也支持SSC(Spread Spectrum Clocking)。

表2 DRV8245-Q1 SR Table

三．集成各种保护功能

DRV824X-Q1系列集成各种保护功能、以确保器件稳健性。

1. 过流保护(OCP)和过温保护

在发生硬短路事件时，每个MOSFET上的模拟电流限制电路也会限制器件的峰值电流。如果输出电流超过过流阈值IOCP的时间超过tOCP，则会检测到过流故障。

该器件在裸片周围有多个温度传感器。如果任何传感器检测到TTSD设置的过热事件、时间大于tTSD，则检测到过热故障。

2. Off-State的负载监控功能(OLP)

当功率FET关断时，可以待机状态下确定OUTx节点的阻抗。通过此诊断、可以被动检测待机状态下的以下故障情况，如图5所示：

输出对VM或GND短路，阻抗< 100 Ω

对于全桥负载或低侧负载开路，负载阻抗> 1K Ω

在VM=13.5V时，高侧开路，负载阻抗> 10k Ω

图5 全桥状态下的Off-State诊断示意图

3. On-state的负载诊断(OLA)

在PWM开关转换期间，当LS FET关断时，感性负载电流通过HS体二极管流入VM。该器件会在OUTx上查找到高于VM的电压尖峰。当负载电流高于FET驱动器发出的下拉电流(IPD_OLA)，可以观察到该电压尖峰。在3个连续再循环开关周期内不存在此电压尖峰表示负载电感损耗或负载电阻增加、并被检测为OLA故障。

图6 On-State诊断示意图

审核编辑：郭婷