什么是智能 AFE？

经典的模拟信号链包括输入、处理和输出。输入由模数转换器 (ADC) 或比较器接收。带有控制软件的微控制器 (MCU) 负责处理。最后，模拟输出由数模转换器 (DAC) 或脉宽调制 (PWM) 产生。

在本文中，我将介绍一种新型设备——智能模拟前端 (AFE)——它将整个模拟控制环路集成到单个设备中，提供 I2C、SPI 或直接 GPIO 接口等标准协议来配置和控制AFE。

智能 AFE 无需额外的开发、维护和认证负担即可实现传感、处理和控制。智能 AFE 可通过提供断电期间的高阻抗输出、将通道配置为 ADC 输入或 DAC 输出的能力以及支持查找表参考和闭环的可编程逻辑等特性来帮助简化设计控制。

图 1 显示了 TI 的 AFE539A4 智能 AFE 的框图，其中包括多个接口（I 2 C、串行外设接口和通用输入/输出 [GPIO]）；非易失性存储器（NVM）；ADC 和比较器输入的控制逻辑，以及电压和电流输出 DAC 和 PWM 输出。AFE539A4 是一款 10 位四通道智能模拟前端 (AFE)。每个模拟通道可配置为数模转换器 (DAC)、模数转换器 (ADC) 或比较器。DAC 输出可以是电压和电流输出。AFE539A4 支持高阻态断电模式，并在断电情况下支持高阻态输出。DAC 输出提供一个强制检测选项，可用作可编程比较器和电流阱。该器件具有一个集成的状态机，预编程为比例积分 (PI) 控制器。AFE539A4 非常适用于热电制冷 (TEC) 控制、温度控制和动态余量控制应用。AFE539A4 是智能 AFE 器件，因为它具有高级集成功能。多功能 GPIO、函数生成和 NVM 使这款智能 AFE 适用于无处理器的应用和设计重复使用。

AFE 将所有这些功能都包含在一个 3 毫米乘 3 毫米的封装中。

图 1：AFE539A4 的功能框图

闭环控制

作为闭环控制的单芯片选项，智能 AFE 在热电冷却 (TEC)、多斜率热折返和电磁阀控制等应用中表现良好。通过添加可互换的 DAC/ADC 通道并包含 NVM，智能 AFE 可以为各种系统提供传感输入、解释和受控模拟输出。TEC 控制回路，如图 2 所示，用于激光二极管冷却、便携式制冷和电子元件冷却。比例积分 (PI) 控制回路有助于保持 TEC 元件的稳定温度，通过 H 桥驱动器的 PWM 或升压转换器的连续输出将其从 6 V 驱动至 12 V。智能 AFE 可以驱动数字引脚的 PWM 输出或 DAC 的电压输出。电压输出还可以缩放升压转换器的输出。另外，电流检测放大器监控 TEC 电流。智能 AFE 集成了所有这些功能，同时通过选择合适的驱动程序保持构建块方法与任何 TEC 元件接口。PI 控制提供配置设定点、比例和积分增益以及电流限制的选项。

图 2：用作闭环 TEC 控制器的智能 AFE

电磁阀控制类似于 TEC 控制。然而，除了 PI 控制之外，电磁阀控制还需要峰值保持控制，如图 4 所示。保持模式涉及 PI 控制方案。智能 AFE 的 PWM 输出是电磁阀驱动器的输入，用于提高效率和诊断。有关详细信息，请参见下面的图 3。智能 AFE 采用 GPIO 输入来启动和停止峰值保持控制。

图 3：使用智能 AFE 进行电磁阀控制

图 4：峰值保持控制

故障管理

智能 AFE 支持基于查找表的传感和控制功能，用于多斜率热折返、温度相关偏置和故障管理。例如，多坡热折返用于汽车尾灯，以提供性能和热保护。多段可编程的基于斜率的输出控制方案可在整个温度范围内提供一致的光通量输出，从而在温度接近安全工作限制时降低 LED 电流，如图 5 和图 6 所示。

图 5：智能 AFE 多斜率热折返电路

图 6： 多斜率热折返曲线 LED 温度与 LED 电流的关系

任意波形生成

任意波形生成是智能 AFE 可以为测试、汽车和通信应用中的某些设计带来的另一个好处。可以对智能 AFE 进行编程以产生许多自定义波形（例如锯齿波、三角波或方波）并调整它们的频率。此外，智能 AFE 可以根据感测输入变化获取输入以动态调整任何波形的 DC 或频率。

结论

TI 的智能 AFE 系列为闭环控制提供单器件解决方案。智能 AFE 将整个信号链的全部功能集成到一个设备中，提供 ADC 输入、NVM、DAC 和 PWM 输出，以及多种接口选择。