設(shè)計(jì)步驟

1. 確定 TEC 規(guī)格：
   • 所示電路的規(guī)格：
     • TEC 最大電流 (I_max)：2.5A
     • TEC 最大電壓 (V_max)：4.5V
2. H 橋電源電壓選擇：
   • 重要考慮因素：
     • FET 上的壓降 (V_FETs)
     • R_Sense 上的壓降 (V_Rsense)
     • TEC 上的壓降 (V_TEC)
       • H 橋電源電壓 (V_H-Bridge) 應(yīng)至少為：
         $V_{\mathrm{H-Bridge}}=V_{\mathrm{FETs}}+V_{R_{\mathrm{Sense}}}+V_{\mathrm{TEC}}$
   • 在前面所示的電路中，H 橋使用 5V 電源提供 0.5V 的余量并適應(yīng)所有壓降。
   • 如果出現(xiàn)以下情況，可能需要提高 H 橋電源電壓：
     • TEC 需要更高的電壓。
     • FET 不能完全導(dǎo)通并產(chǎn)生顯著的壓降。
3. 雙向電流檢測(cè)放大器 (U1A)：
   • 電流檢測(cè)放大器使用檢測(cè)電阻 (R_Sense) 檢測(cè)流經(jīng) TEC 的電流。輸出作為決定柵極驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度（TEC電流）的控制放大器 (U1C) 的反饋。
   • R_Sense 選擇：
     • R_Sense 值越小，功耗性能越好，壓降越低。根據(jù)所需的系統(tǒng)精度，小的數(shù)值需要具有良好直流性能的精密放大器才能準(zhǔn)確讀取檢測(cè)電阻電壓。
     • 此電路選用的 R_Sense 為 50mΩ。50mΩ 電阻在 2.5A 時(shí)產(chǎn)生 125mV 的壓降。LMP7704-SP 具有 ±37μV 的典型偏移電壓，在峰值電流時(shí)產(chǎn)生約 0.75mA 的誤差。
   • U1A 增益選擇：
     • 電流檢測(cè)放大器增益由電阻器 R1、R2、R3 和 R4 決定。
     • 在前面所示的電路中，需要通過(guò)調(diào)整 U1A 增益來(lái)測(cè)量電流作為電壓電平。電流檢測(cè)放大器選用的增益為 G = 20。
       • 2.5A 的 TEC 電流相當(dāng)于 R_Sense 上的 125mV 電壓。R_Sense 上的 125mV 電壓轉(zhuǎn)換為 U1A 輸出端的 2.5V (125mV × 20) 電壓。增益選擇使流經(jīng) TEC 的電流與電流檢測(cè)放大器的輸出電壓之間產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
     • 增益選擇公式：
       $G_{U1A}=\frac{1}{R_{\mathrm{Sense}}}=\frac{1}{\mathrm{50m\Omega }}=20=\frac{\mathrm{R2}}{\mathrm{R1}}=\frac{\mathrm{20k\Omega }}{\mathrm{1k\Omega }}$
       $\mathrm{R2}=\mathrm{R4\; and\; R1}=\mathrm{R3}$
     • 按照前面的公式，TEC 電流與電流檢測(cè)放大器的輸出電壓之間始終具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
   • 電壓基準(zhǔn)選擇 (U1B)：
     • 除非具有直流偏移，否則單電源運(yùn)算放大器無(wú)法雙向測(cè)量電流。如果不使用偏移，當(dāng)電流與運(yùn)算放大器的電源電壓符號(hào)相反時(shí)，放大器的輸出就會(huì)飽和。這就是為什么要使用電壓基準(zhǔn)來(lái)產(chǎn)生直流偏移并防止飽和的原因。
     • 基準(zhǔn)電壓值選擇：
       • 電壓基準(zhǔn)至少需要與流經(jīng) TEC 的預(yù)期最大電流相等。如果 TEC 的額定 I_max 為 2.5A，則必須使用至少 2.5V 的基準(zhǔn)電壓來(lái)計(jì)算 –2.5A 至 2.5A 的電流范圍。考慮放大器的輸出擺幅限制 (V_O) 也很重要。
         $V_{\mathrm{REF}}=R_{\mathrm{Sense}}\times I_{\mathrm{Max}}\times G_{\mathrm{U1A}}+V_O$
       • 由于放大器負(fù)輸出軌限制為 (V–) + 0.2V，因此選擇了 2.75V 的基準(zhǔn)電壓。
         $V_{\mathrm{REF}}=\mathrm{2.75V}\ge \mathrm{50m\Omega }\times \mathrm{2.5A}\times 20+\mathrm{0.2V}$
         1. 由 R5 和 R6 形成的分壓器作為緩沖器饋送到其中一個(gè) LMP7704-SP 通道 (U1B) 中。分壓器產(chǎn)生 2.75V 的基準(zhǔn)電壓。
            • 要調(diào)整基準(zhǔn)輸出，請(qǐng)使用以下公式：
              $V_{\mathrm{REF}}=\left(\frac{\mathrm{R6}}{\mathrm{R5}+\mathrm{R6}}\right)\times \mathrm{5V}$
            • 電壓基準(zhǔn)的精度取決于分壓器中的電阻容差。
         2. 使用電壓基準(zhǔn)，計(jì)算電流檢測(cè)放大器的輸出電壓如下：
            $V_{\mathrm{out}\left(U1A\right)}=R_{\mathrm{Sense}}\times I_{\mathrm{TEC}}\times G_{U1A}+V_{\mathrm{REF}}$
            • 當(dāng)流經(jīng) TEC 的電流從 –2.5A 變?yōu)?2.5A，電流檢測(cè)放大器的輸出電壓從 0.25V 變?yōu)?5.25V（2.75V相當(dāng)于 0A）。
         3. 如果不考慮所選放大器的負(fù)軌輸出擺幅限制，電流檢測(cè)放大器可能會(huì)飽和，并導(dǎo)致系統(tǒng)的其余部分飽和至最大可能負(fù)電流。流經(jīng) TEC 的飽和電流值可能超過(guò) 2.5A，這取決于 H 橋電源電壓和柵極驅(qū)動(dòng)能力。
            • 幸運(yùn)的是，LMP7704-SP 是軌到軌輸出放大器，因此 0.25V 足以減輕輸出擺幅的限制。另一種擺幅較小的放大器需要從電壓基準(zhǔn)處獲得更多余量。

   • 電源電壓選擇：

     • 電流檢測(cè)放大器的電源電壓必須高于最大預(yù)期輸出 V_max 和最大輸出擺幅限制 V_O。
     $V_{\mathrm{Supply}}\ge V_{\mathrm{Max}}+V_O$
     $\mathrm{10V}\ge \mathrm{5.25V}+\mathrm{0.2V}$
     • 所選的放大器電源為 10V，滿足這些要求。
     • 不考慮正輸出擺幅限制，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)飽和至最大正 TEC 電流。最大正 TEC 電流可能超過(guò) 2.5A（類(lèi)似于基準(zhǔn)電壓選擇 部分中提到的負(fù)極飽和情況）。
4. 控制放大器 (U1C)：
   • 控制放大器 U1C 控制 柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度（在柵極驅(qū)動(dòng)器（U1C 和 U1D） 中進(jìn)行討論）。為了確定柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和方向，它將電流檢測(cè)放大器的輸出與控制輸入 進(jìn)行比較?？刂戚斎?(V_IN) 可以來(lái)自 PID 或平均 PWM（通常作為溫度控制環(huán)路的輸出）。由于運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)其輸出直到其兩個(gè)輸入端子處于相同的電壓電平，因此 V_IN 決定了流經(jīng) TEC所需 的電流電平。
   • 為了控制流經(jīng) TEC 的電流，將控制輸入 V_IN 設(shè)置為 0.25V 至 5.25V 的電壓。控制放大器輸出根據(jù)需要變高或變低，以達(dá)到反饋（U1A 輸出）和 V_IN 處于同一電平。根據(jù)控制輸入電壓 (V_IN) 和電流檢測(cè)放大器的電壓基準(zhǔn) (V_REF) 計(jì)算所設(shè)置的 TEC 電流電平：
     $I_{\mathrm{TEC}}=V_{\mathrm{IN}}-V_{\mathrm{REF}}$
     $I_{\mathrm{TEC}}=V_{\mathrm{IN}}-2.75V$
   • 0.25V 的 V_IN 意味著控制放大器改變其輸出，直至檢測(cè)到流經(jīng) TEC 的電流為 –2.5A。同樣，5.25V 的輸入信號(hào)意味著控制放大器改變其輸出，直至檢測(cè)到流經(jīng) TEC 的電流為 2.5A。
     • 這種行為容易受到振蕩的影響；因此，添加組件 R1 和 C1 以防止控制放大器的輸出瞬間變化。如交流仿真結(jié)果 部分中所示，選擇這些值以產(chǎn)生至少 60° 的相位裕度。
5. 柵極驅(qū)動(dòng)器（U1C 和 U1D）：
   • 柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)向每個(gè)半橋提供柵極信號(hào)。
   • 柵極驅(qū)動(dòng)器功能：
     • 觀察任一柵極驅(qū)動(dòng)器及其相應(yīng)的半橋：
       • 當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出為高電壓時(shí)，只會(huì)導(dǎo)通 N 溝道 FET（Q2 或 Q4）。當(dāng)輸出為低電壓時(shí)， P 溝道 FET（Q1 或 Q3）導(dǎo)通。
         • 重要的是要考慮是否存在三個(gè)FET可以同時(shí)導(dǎo)通的任意點(diǎn)。這將在MOSFET 選擇 部分進(jìn)行討論。
       • 添加隔離電阻 (R_iso) 來(lái)防止在驅(qū)動(dòng) FET 容性負(fù)載時(shí)出現(xiàn)的不穩(wěn)定。 R8 和 R16 的值通過(guò)下述公式計(jì)算：
         $R_{\mathrm{iso}}\ge \frac{1}{2\times \pi \times f_{\mathrm{20DB}}\times C_{\mathrm{load}}}$
         $R_{\mathrm{iso}}=\mathrm{100\Omega }\ge \mathrm{80\Omega }\approx \frac{1}{2\times \pi \times \mathrm{248kHz}\times \mathrm{8000pF}}$
         • 更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 TI 精度實(shí)驗(yàn)室 - 運(yùn)算放大器：穩(wěn)定性 - 容性負(fù)載。
   • 設(shè)置柵極驅(qū)動(dòng)最大輸出：
     • 要設(shè)置柵極驅(qū)動(dòng)器的最大輸出電壓 (V_maxDriver)，請(qǐng)更改施加到 U1D 的基準(zhǔn)電壓 TL1431-SP (U2)。確保 V_maxDriver 在所選放大器的輸出擺幅能力范圍內(nèi)。在這種情況下，LMP7704-SP 輸出擺幅與正軌相差 0.2V；因此，最大 V_maxDriver 為 9.8V。
       • 設(shè)置 TL1431-SP (U2) 基準(zhǔn)：
         $V_{\mathrm{REF(U}2)}=\left(1+\frac{\mathrm{R14}}{\mathrm{R15}}\right)\times \mathrm{2.5V}$
         $V_{\mathrm{REF(U}2)}=\mathrm{4.5V}=(1+\frac{\mathrm{4.95k\Omega }}{\mathrm{6.19k\Omega }})\times \mathrm{2.5V}$
         • R13 用于在偏置陰極時(shí)限制電源電流。確保 R13 為 U2 提供大于 1mA 的電流：
           $I_{U2}=\frac{V_{\mathrm{Supply}}-V_{\mathrm{REF(U}2)}}{\mathrm{R13}}\ge \mathrm{1mA}$
           $I_{U2}=\mathrm{1.1mA}=\frac{\mathrm{10V}-\mathrm{4.5V}}{\mathrm{5k\Omega }}\ge \mathrm{1mA}$
       • 設(shè)置 V_maxDriver 電壓：
         $V_{\mathrm{maxDriver}}=\left(1+\frac{\mathrm{R12}}{\mathrm{R11}}\right)\times V_{\mathrm{REF(U}2)}$
         $V_{\mathrm{maxDriver}}=\mathrm{9V}=(1+\frac{\mathrm{10k\Omega }}{\mathrm{10k\Omega }})\times \mathrm{4.5V}$
       • 在先前所示的設(shè)計(jì)中，由于同相增益 G = 2，最大驅(qū)動(dòng)器輸出電壓相當(dāng)于基準(zhǔn)電壓的兩倍。
       • 注意：V_maxDriver 是柵極驅(qū)動(dòng)器 U1D 所能產(chǎn)生的最大電壓。然而，V_maxDriver 不是柵極驅(qū)動(dòng)器施加到 H 橋來(lái)產(chǎn)生流經(jīng) TEC 的 2.5A 電流的最大電壓 (V_maxGate)。V_maxGate 取決于所選的 MOSFET 以及 V_H-Bridge。通過(guò)仿真或查看 MOSFET 數(shù)據(jù)表和確定達(dá)到 I_max 所需的 V_GS來(lái)確定 V_maxGate。仿真表明，需要最大 V_maxGate為 （最壞情況下的 FET 閾值電壓）才能實(shí)現(xiàn)流經(jīng) TEC 的電流為 2.5A。
         • 確保 V_maxDriver 比最大 V_maxGate 高出控制放大器的輸出擺幅限制量 (V_O(U1C))：
           $V_{\mathrm{maxDriver}}\ge V_{\mathrm{maxGate}}+V_{O\left(U1C\right)}$
           $V_{\mathrm{maxDriver}}=\mathrm{9V}\ge \mathrm{8V}+\mathrm{0.2V}$
         • V_maxDriver 需要高于 V_maxGate 以確保控制放大器 (U1C) 不會(huì)飽和進(jìn)入負(fù)軌。

   • 反相柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)：

     • 需要注意的是，如果兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器（U1C 和 U1D）相互跟隨，那么所有 4 個(gè) FET 將同時(shí)導(dǎo)通。這是不希望出現(xiàn)的行為，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致直通電流。理想的行為是只要兩對(duì)對(duì)角 FET 中的一對(duì)導(dǎo)通。兩對(duì)對(duì)角 是（Q1 和 Q4）或（Q3 和 Q2）。
       • 為了實(shí)現(xiàn)這種行為，U1C 的輸出連接到 U1D 的反相輸入。工作原理如下：U1D 默認(rèn)輸出為 V_maxDriver。然而當(dāng)施加最小的 0.25V V_IN 時(shí)，U1C 的輸出將略微增加并保持穩(wěn)定，直到檢測(cè)到 –2.5A。這會(huì)使 U1D 的輸出處于 V_maxGate。隨著 V_IN 的變化，兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出之間的關(guān)系定義如下：
       $U1D_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{maxDriver}}-U1C_{\mathrm{OUT}}$
       • 這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)輸出相互線性跟隨，并且方向相反，即當(dāng) U1D 為 9V 時(shí)，U1C 為 0V。
         1. 這就是為什么 V_maxDriver 需要比 V_maxGate 高 V_O(U1C) 的原因：為了避免 U1C 的輸出為 0V 時(shí)，它只能下降到0.2V負(fù)軌 (GND) 。
         2. 假設(shè)考慮了 MOSFET 閾值電壓，該柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)可確保在運(yùn)行期間上述兩對(duì)對(duì)角 中只有一對(duì)導(dǎo)通。

   • 放大器選擇：

     • 確保所選的運(yùn)算放大器具有足夠的輸出擺幅以支持所需的最大電壓。LMP7704-SP 可以擺動(dòng)到0.2V正電源 (9.8V) 。
6. MOSFET 選擇：
   • FET 閾值電壓對(duì)于實(shí)現(xiàn)有效的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在運(yùn)行期間，一次只能導(dǎo)通一對(duì)對(duì)角 FET。這些 對(duì)是：（Q1 和 Q4）或（Q3 和 Q2）。如果三個(gè) FET 同時(shí)導(dǎo)通，例如 Q1、Q2 和 Q4，則 H 橋電源軌可能會(huì)通過(guò) Q2 以非常小的電阻連接到 GND，并導(dǎo)致電流尖峰，稱為直通電流。這可能會(huì)損壞 FET 并導(dǎo)致系統(tǒng)故障。為避免這種情況，一次只導(dǎo)通一對(duì)對(duì)角 FET 是絕對(duì)重要的。
     • 對(duì)于所示電路，所選的 FET 都具有 2V（N 溝道）或 –2V（P 溝道）的最小閾值電壓 (V_th)。
       • 這意味著，如果 N 溝道 FET 上沒(méi)有電阻分壓器，2.5V 柵極信號(hào)就可以導(dǎo)通同一半橋的高側(cè)和低側(cè) FET 并產(chǎn)生直通電流。
         • 為確保不會(huì)發(fā)生這種情況， N 溝道 FET 增加了一個(gè)分壓器。選擇的分壓器應(yīng)具使當(dāng) P 溝道 FET 即將導(dǎo)通時(shí)，由相同柵極信號(hào)驅(qū)動(dòng)的 N 溝道 FET 應(yīng)關(guān)斷。對(duì)于 V_th 為 2V 的 所先FET，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出為 3V 時(shí)，N 溝道 FET 柵極 (V_N-Gate-) 應(yīng)選擇為 1.9V。分壓器的計(jì)算如下（假設(shè) R_TOP = 100k? 并確保 V_N-Gate 低于最小 N 溝道 V_th）：
           $R_{\mathrm{BOTTOM}}=\frac{\frac{V_{\mathrm{N-Gate}}}{(V_{\mathrm{H-Bridge}}+V_{\mathrm{th}(min)PFET})}}{1–\frac{V_{\mathrm{N-Gate}}}{(V_{\mathrm{H-Bridge}}+V_{\mathrm{th}(min)PFET})}}\times R_{\mathrm{TOP}}; V_{\mathrm{N-Gate}}<V_{\mathrm{th(min)NFET}}$
           $R_{\mathrm{BOTTOM}}=\mathrm{172k?}\approx \frac{\frac{\mathrm{1.9V}}{(\mathrm{5V}+(–\mathrm{2V}\left)\right)}}{1-\frac{\mathrm{1.9V}}{(\mathrm{5V}+(–\mathrm{2V}\left)\right)}}\times 100\mathrm{k?}$
     • 在前面計(jì)算出的電阻分壓器中，如果施加 2.5V 柵極信號(hào)來(lái)導(dǎo)通 P 溝道 FET，則 N 溝道柵極只能看到 1.6V，因此它會(huì)處于關(guān)斷狀態(tài)。這樣就可以確保在運(yùn)行期間只有一對(duì)對(duì)角 FET 導(dǎo)通。
       • 確?？梢詫艠O驅(qū)動(dòng)得足夠高，使 FET 的最大 V_th（來(lái)自數(shù)據(jù)表）仍能夠與電阻分壓器一起使用。根據(jù)數(shù)據(jù)表，最大 V_th 為 4V。當(dāng)施加絕對(duì)最大值 V_maxGate (8.8V) 信號(hào)時(shí)，帶有分壓器的最大 V_N-Gate 為 5.56V。確保在 V_th 變化時(shí)導(dǎo)通。
         • 在不飽和 U1C的情況下，絕對(duì)最大值 V_maxGate 為 8.8V，其推導(dǎo)公式如下：
         $V_{\mathrm{maxGate}}\le V_{\mathrm{maxDriver}}–V_{O\left(U1C\right)}$
         $V_{\mathrm{maxGate}}=\mathrm{8.8V}\le \mathrm{9V}–\mathrm{0.2V}$