8 位 AFE439A2、10 位 AFE539A4 和 12 位 AFE639D2 （AFEx39xx） 是智能模擬前端 （AFE），用于使用電壓或 PWM 輸出進(jìn)行熱電冷卻 （TEC） 控制。該AFE639D2支持一個(gè) I 2C 控制器接口，以與外部數(shù)字溫度傳感器連接。AFE639D2和AFE539A4支持電壓輸出，AFE439A2支持PWM輸出。AFEx39xx 支持用于故障管理的比較器通道。這些器件還支持?jǐn)嚯娖陂g DAC 通道上的 Hi-Z 掉電模式和 Hi-Z 輸出。這些器件具有一個(gè)集成狀態(tài)機(jī)，該狀態(tài)機(jī)預(yù)編程為比例積分 （PI） 控制器。AFEx39xx 是 TEC 控制、溫度控制和動(dòng)態(tài)裕量控制應(yīng)用的絕佳選擇。AFEx39xx集成了高級(jí)功能、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和NVM，使這種智能AFE能夠?qū)崿F(xiàn)無處理器應(yīng)用和設(shè)計(jì)重用。
*附件：afe539a4.pdf

特性

• 集成比例積分 （PI） 控制
  • 從非易失性存儲(chǔ)器 （NVM） 進(jìn)行獨(dú)立作
  • 可編程比例和積分增益
  • 用于輸出箝位的比較器輸入
  • 可編程的輸出最小值、最大值和共模值
  • 可編程環(huán)相反相
• AFE639D2
  • 用于外部數(shù)字溫度傳感器接口的 I 2C 控制器
  • 12 位 DAC 輸出：4-LSB DNL、1-LSB DNL
• AFE539A4
  • 10位ADC輸入：2-LSB INL、1-LSB DNL
  • 10位DAC輸出：1LSB INL和DNL
• AFE439A2
  • 8位ADC輸入：1LSB INL和DNL
  • 7位占空比PWM輸出
• 用于故障管理的可編程比較器
• VDD關(guān)閉時(shí)DAC通道上的高阻抗輸出
• 自動(dòng)檢測(cè) I 2C 或 SPI
  • 1.62V V IH，V DD = 5.5 V
• VREF/MODE引腳可在編程模式和獨(dú)立模式之間進(jìn)行選擇
• 用戶可編程N(yùn)VM
• 內(nèi)部、外部或電源作為參考
• 工作范圍廣
  • 電源：1.8 V 至 5.5 V
  • 溫度范圍：–40°C 至 +125°C
• 微型封裝：16引腳WQFN（3 mm × 3 mm）

參數(shù)

方框圖

AFE539A4 是德州儀器（Texas Instruments）AFEx39xx 系列中的 10 位智能模擬前端（AFE） ，專為熱電冷卻（TEC）控制設(shè)計(jì)，集成 10 位 ADC、10 位 DAC、可編程比較器與比例積分（PI）控制器，支持電壓輸出與閉環(huán)溫度控制，適用于激光冷卻、氣體分析、LiDAR、醫(yī)療設(shè)備等對(duì)溫度精度與集成度要求嚴(yán)苛的場(chǎng)景。以下從核心特性、性能參數(shù)、功能架構(gòu)、應(yīng)用設(shè)計(jì)及訂購信息等方面展開總結(jié)。

一、核心特性與產(chǎn)品定位

1. 基礎(chǔ)參數(shù)與架構(gòu)

• 核心配置 ：
  • 分辨率：10 位 ADC（輸入）與 10 位 DAC（輸出），支持高精度模擬信號(hào)采集與控制電壓輸出。
  • 控制功能：集成預(yù)編程 PI 控制器，支持比例增益（Kp）、積分增益（Ki）可編程，無需外部處理器即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)溫度控制。
  • 輸出方式：電壓輸出（0-VDD），通過 DAC 驅(qū)動(dòng) TEC 或 Buck-Boost 轉(zhuǎn)換器，適配雙向溫度調(diào)節(jié)需求。
• 供電與功耗 ：
  • 供電電壓：1.8V-5.5V 單電源，適配工業(yè)與便攜式設(shè)備供電場(chǎng)景。
  • 功耗：正常工作模式下典型電流 1.4mA，休眠模式（內(nèi)部參考禁用）典型電流 28μA，低功耗特性適配電池供電設(shè)備。
• 封裝與環(huán)境適應(yīng)性 ：
  • 封裝：16 引腳 WQFN（3mm×3mm，0.8mm 引腳間距），底部熱焊盤（需接 AGND）優(yōu)化散熱，結(jié)到板熱阻 24.1°C/W。
  • 工作溫度：-40°C 至 125°C，滿足工業(yè)級(jí)寬溫需求；ESD 防護(hù)（HBM±2000V、CDM±500V），保障裝配與使用可靠性。
• 接口與控制 ：
  • 通信接口：自動(dòng)識(shí)別 I2C（標(biāo)準(zhǔn) / 快速 / 快速 + 模式）與 SPI（3 線 / 4 線），I2C 支持 4 種設(shè)備地址（通過 A0 引腳配置），SPI 最高時(shí)鐘頻率 50MHz（寫操作）。
  • 非易失性存儲(chǔ)（NVM）：用戶可將 PI 參數(shù)、DAC/ADC 配置存儲(chǔ)至 NVM，上電后自動(dòng)加載，支持獨(dú)立運(yùn)行（無處理器場(chǎng)景）。

2. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

• 激光冷卻 ：激光二極管溫度控制，通過 PI 閉環(huán)調(diào)節(jié) TEC 電流，將激光工作溫度穩(wěn)定在設(shè)定值（如 30°C），保障激光波長穩(wěn)定性。
• 醫(yī)療設(shè)備 ：血液分析儀、 thermal cycler（熱循環(huán)儀），高精度溫度控制（穩(wěn)態(tài)誤差 <±0.5°C）確保檢測(cè)精度。
• 工業(yè)傳感 ：氣體分析儀、機(jī)械掃描 LiDAR，集成 ADC 采集溫度傳感器信號(hào)，DAC 輸出控制信號(hào)，簡化多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
• 汽車電子 ：車載傳感器溫度補(bǔ)償，寬溫特性適配汽車艙內(nèi) / 艙外環(huán)境，低功耗適配車載電源系統(tǒng)。

二、關(guān)鍵性能參數(shù)

1. 核心電氣性能（典型值，TA ? =25**°C，VDD?**=**5.5**V，增益 = 1×）

三、核心功能架構(gòu)

1. 模擬前端模塊

（1）ADC 與 DAC 電路

• ADC 模塊 ：
  • 輸入模式：支持高阻抗（Hi-Z）與有限阻抗兩種模式，Hi-Z 模式輸入范圍 0-VDD/3（減少輸入電流），有限阻抗模式輸入范圍 0-VDD（全量程采集），適配 NTC 熱敏電阻、模擬溫度傳感器等輸入。
  • 精度優(yōu)化：集成偏移校準(zhǔn)與增益校準(zhǔn)，10 位分辨率下 1 LSB 對(duì)應(yīng)電壓約 5.37mV（VDD=5.5V），確保溫度采樣精度（如配合 LMT70 傳感器，1 LSB 對(duì)應(yīng) 0.3°C）。
• DAC 模塊 ：
  • 參考選擇：支持三種參考模式 —— 內(nèi)部 1.21V 參考（溫度漂移 50ppm/°C）、外部參考（1.7V-VDD）、電源（VDD），通過VOUT-GAIN-x寄存器配置增益（1×/1.5×/2×/3×/4×），例如內(nèi)部參考 + 4× 增益時(shí)輸出范圍 0-4.84V。
  • 閉環(huán)輸出：FB1 引腳需與 OUT1 短接，形成閉環(huán)放大器輸出，避免開環(huán)導(dǎo)致的輸出飽和；輸出短路電流（VDD=5.5V）典型 60mA，保障負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

（2）可編程比較器

• 功能配置 ：
  • 模式使能：通過CMP-x-EN寄存器（DAC-x-VOUT-CMP-CONFIG）使能比較器模式，AIN2 為比較器輸入，可設(shè)置閾值（CMP-THRESHOLD）用于過溫、過流等故障檢測(cè)。
  • 輸出控制：支持推挽 / 開漏輸出（CMP-x-OD-EN）與輸出相位反轉(zhuǎn)（CMP-x-INV-EN），故障時(shí)可強(qiáng)制 PI 控制器輸出預(yù)設(shè)值（FIXED-OUTPUT），提升系統(tǒng)安全性。
• 輸入范圍 ：Hi-Z 模式下輸入范圍 VREF/3，有限阻抗模式下 VREF，避免輸入過壓損壞器件。

2. PI 控制器與閉環(huán)控制

（1）PI 核心功能

• 參數(shù)可編程 ：
  • 比例增益（Kp）：16 位參數(shù)，默認(rèn) 0x0064，增大 Kp 可加快誤差修正速度，但需避免系統(tǒng)振蕩。
  • 積分增益（Ki）：16 位參數(shù)，默認(rèn) 0x0000（積分禁用），減小 Ki 可降低穩(wěn)態(tài)誤差，但可能導(dǎo)致輸出振蕩；Ki=0 時(shí)僅比例控制。
  • 輸出限制：MAX-OUTPUT（默認(rèn) 0xFFF0）與MIN-OUTPUT（默認(rèn) 0x0000）限制 DAC 輸出范圍，避免 TEC 過流。
• 閉環(huán)邏輯 ：
  • 輸入：ADC 采集溫度傳感器信號(hào)（如 NTC），與SETPOINT（目標(biāo)溫度對(duì)應(yīng)的 ADC 碼值）比較生成誤差信號(hào)。
  • 計(jì)算：誤差信號(hào)經(jīng) Kp 比例運(yùn)算與 Ki 積分運(yùn)算后，疊加COMMON-MODE（標(biāo)稱輸出，默認(rèn) 0x02FF）生成 DAC 控制碼。
  • 輸出：DAC 將控制碼轉(zhuǎn)換為電壓，驅(qū)動(dòng) TEC 或 Buck-Boost 轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)溫度至目標(biāo)值，LOOP-POLARITY可反轉(zhuǎn)控制相位，補(bǔ)償外部電路相位延遲。

（2）NVM 與配置存儲(chǔ)

• NVM 功能 ：
  • 存儲(chǔ)內(nèi)容：PI 參數(shù)（Kp/Ki/SETPOINT）、DAC/ADC 配置、接口協(xié)議等，支持 20000 次擦寫（-40°C-85°C）、50 年數(shù)據(jù)保留，上電后自動(dòng)加載配置，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。
  • CRC 校驗(yàn)：內(nèi)置 16 位 CRC-16 校驗(yàn)，檢測(cè) NVM 數(shù)據(jù)完整性，若數(shù)據(jù)損壞（NVM-CRC-FAIL-USER置 1），自動(dòng)加載出廠默認(rèn)值，保障配置可靠性。

3. 通信與控制接口

• I2C 接口 ：
  • 速率：標(biāo)準(zhǔn)模式（100kbps）、快速模式（400kbps）、快速 + 模式（1Mbps），支持廣播地址（同步更新多器件），DAC 最大更新率 25kSPS（快速 + 模式）。
  • 地址配置：A0 引腳接 AGND/VDD/SDA/SCL，對(duì)應(yīng) 4 種設(shè)備地址（0x90/0x92/0x94/0x96），適配多器件級(jí)聯(lián)。
• SPI 接口 ：
  • 模式：默認(rèn) 3 線（SCLK/SDI/SYNC），配置NC/SDO為 SDO 后支持 4 線讀取，寫操作最高時(shí)鐘 50MHz，讀操作（FSDO=1）最高 2.5MHz。
  • 菊花鏈：支持多器件菊花鏈連接，減少 MCU 引腳占用，適用于大規(guī)模多通道 TEC 控制。