AFE20408 8 通道功率放大器监控与控制器技术文档总结

该AFE20408是一种高度集成的功率放大器（PA）监控和控制设备，能够进行温度、电流和电压监控。

AFE20408偏置控制器基于八个具有可编程输出范围的数模转换器（DAC）。八个栅极偏置输出通过专用控制引脚打开和关闭。栅极偏置开关专为快速响应而设计，可实现正确的功率排序和耗尽型晶体管（如 GaAs 和 GaN）的保护。

AFE20408监控器基于精确的多通道模数转换器 （ADC）。该器件集成了两个高压输入、两个高侧电流检测放大器和一个精确的片上温度传感器。
*附件：afe20408.pdf

功能集成和宽工作温度范围使该AFE20408成为功率放大器一体化偏置控制电路的绝佳选择。灵活的 DAC 输出范围和内置排序功能使该器件可用作各种晶体管技术（例如 LDMOS、GaAs 和 GaN）的偏置控制器。

特性

• 八个模拟输出
  • 8个单调DAC：1.22mV分辨率
  • 自动配置的输出范围：
    • 正输出电压：0V 至 10V
    • 负输出电压：–10V 至 0V
  • 大电流驱动能力
  • 高容性负载容差
• 输出开和关控制开关
  • 快速切换时间
  • 低电阻
• 多通道ADC监视器
  • 两个高压外部输入：0V 至 85V
  • 两个高侧电流检测放大器：高达 85V 共模范围
  • 本地温度传感器：±2.5°C误差
• 启动和关闭事件的输出顺序控制
• 内部 2.5V 基准电压源
• SPI 和 I2C 接口：1.65V 至 3.6V 工作电压
  • SPI：4线接口
  • I2C：16 个目标地址
• 指定温度范围：–40°C 至 +125°C
• 工作温度范围 –55°C 至 +150°C

参数

方框图

AFE20408 是德州仪器（TI）推出的 高集成度功率放大器（PA）监控与控制芯片 ，核心优势为集成 8 通道数模转换器（DAC）、多通道模数转换器（ADC）、输出开关、温度传感器及灵活的串行接口，支持正负电压输出与高电压监测，适配雷达、电子战、软件定义无线电（SDR）等对 PA 偏置控制、状态监控有严苛要求的场景，工作温度覆盖 -40°C~+125°C（结温最高 150°C），兼具高性能与环境适应性。

一、核心特性与应用场景

1. 核心特性

• 8 通道 DAC 偏置控制 ：
  • 分辨率：13 位（无失码），精度 1.22mV/LSB，支持正负输出范围（正输出 0V10V，负输出 -10V0V），适配 GaN、LDMOS 等不同类型 PA 的栅极偏置需求；
  • 输出能力：高电流驱动（最大 120mA）、高容性负载耐受（0~15μF），支持 4 种电流模式（启动模式 15mA、低电流 30mA、正常 90mA、高电流 120mA），输出阻抗典型值 3Ω，确保信号无衰减传输；
  • 同步与广播功能：支持多 DAC 同步更新（通过 LDAC 触发）、广播模式（单指令更新多通道 DAC 数据），简化多通道协同控制。
• 多维度 ADC 监控 ：
  • 监测范围：2 路高电压输入（0V85V，如 PA 电源电压）、2 路高边电流检测（共模电压 -0.3V85V，支持 ±40.96mV/±163.84mV 分流电压范围）、1 路片内温度传感器（精度 ±2.5°C，分辨率 7.8125m°C）；
  • 性能指标：16 位 ΔΣ ADC 架构，转换时间 52μs4.122ms 可编程，支持 11024 次采样平均，共模抑制比（CMRR）达 120dB，抗干扰能力强。
• 高速输出开关与序列控制 ：
  • 开关特性：集成输出开关，切换时间典型值 400ns，低导通电阻（DAC 到输出 35Ω，VSS 到输出 47Ω），支持异步控制（DRVEN0/DRVEN1 引脚）或软件控制，适配 PA 启动 / 关断的时序要求；
  • 序列保护：支持启动 / 关断序列控制，可配置输出钳位电压（如关断时钳位到 VSS 或特定 DAC 电压），防止 PA 损坏（如 GaN 管的栅极过压保护）。
• 灵活接口与报警机制 ：
  • 串行接口：兼容 SPI（最高 25MHz）与 I2C（最高 400kHz，16 种可选地址），VIO 供电 1.65V~3.6V，适配不同处理器电平；
  • 报警功能：支持温度、电源、ADC 超限报警，可配置报警触发次数（1/4/8/16/32/64/128/256 次连续超限）与滞回阈值，报警时自动触发 DAC 掉电或 PA 关断，提升系统可靠性。
• 高集成与低功耗 ：
  • 集成模块：2.5V 内部基准、振荡器、电源监控（VDD/VCC/VSS 电压检测），无需外部额外器件；
  • 功耗：VDD 电流典型值 5mA（正输出）/6mA（负输出），VIO 电流典型值 5μA，适配低功耗系统设计。

2. 典型应用场景

应用领域	核心用途	适配需求
雷达系统	PA 栅极偏置动态调整、PA 电源 / 电流监控	多通道协同控制、高电压监测（如 48V PA 电源）
电子战	多 PA 阵列偏置控制、过温 / 过流保护	快速开关（μs 级）、恶劣环境稳定性
软件定义无线电（SDR）	不同频段 PA 偏置切换、实时状态反馈	灵活输出范围（适配不同频段 PA 需求）
导引头前端	小型化 PA 模块的集成化监控与控制	高集成度（减少 PCB 面积）、低功耗

二、封装与引脚功能

1. 封装参数

AFE20408 仅提供 32 引脚 VQFN（RHB 封装） ，具体参数如下：

封装类型	引脚数	封装尺寸（标称）	引脚间距	最大高度	热阻特性（典型值）
VQFN（RHB）	32	5mm×5mm	0.5mm	1.0mm	RθJA=34.7°C/W，RθJB=14.6°C/W，RθJC (底)=6.7°C/W

• 关键设计：底部热焊盘需通过多个过孔连接至 PCB 接地平面，确保散热性能（热阻 RθJA 34.7°C/W，适配高功率场景）。

2. 关键引脚分类与功能

引脚类别	代表引脚	类型	核心功能
DAC 输出	DACA0DACA3、DACB0DACB3	模拟输出	8 通道 DAC 缓冲输出，DACA 为 A 组（负输出为主），DACB 为 B 组（正输出为主）
开关输出	OUTA0、OUTA2、OUTB0、OUTB2	模拟输出	DAC 输出经开关后的最终输出，支持快速切换（接 DAC 或 VSS）
ADC 输入	ADCHV0、ADCHV1	模拟输入	高电压监测输入（0V~85V，如 PA 电源电压）
电流检测	SENSE0±、SENSE1±	模拟输入	高边电流分流电阻检测（SENSE+/- 间电压差，范围 ±40.96mV/±163.84mV）
电源引脚	VDD、VIO、VCCA/VCCB、VSSA/VSSB	电源	- VDD：模拟电源（3.05.5V）；- VIO：数字 IO 电源（1.653.6V）；- VCCA/VCCB：DAC 正电源（3.0 11V，负输出时接地）；- VSSA/VSSB：DAC 负电源（-11 -3V，正输出时接地）
控制引脚	DRVEN0/DRVEN1、RESET/FLEXIO	数字输入	- DRVEN0/DRVEN1：异步开关控制（高电平使能 DAC 输出）；- RESET/FLEXIO：复位（默认）或复用为 GPIO/ALARMOUT/ALARMIN/LDAC/DRVEN2
串行接口	SDA/SCLK、SCL/CS、A0/SDI、A1/SDO	数字 I/O	- I2C 模式：SDA（数据）、SCL（时钟）、A0/A1（地址选择）；- SPI 模式：SCLK（时钟）、CS（片选）、SDI（数据输入）、SDO（数据输出）
同步信号	PAON	数字输出	PA 使能同步信号（推挽 / 开漏可选），用于控制 PA 漏极电源开关

三、电气规格与性能指标

1. 电源与功耗（典型值，TA=25°C，VDD=5V，VIO=3.3V）

电源参数	电压范围	典型电流（正输出）	典型电流（负输出）	功率 dissipation
VDD（模拟电源）	3.0~5.5V	5mA	6mA	25mW（5V）
VIO（数字电源）	1.65~3.6V	5μA	5μA	16.5μW（3.3V）
VCC（DAC 正电源）	3.0~11V	6mA（中量程输出）	-	66mW（11V）
VSS（DAC 负电源）	-11~-3V	-	7mA（1/4 量程输出）	77mW（-11V）

2. DAC 关键性能（TA=25°C，FSR=±2.048V）

参数	测试条件	典型值	单位
差分非线性（DNL）	13 位 monotonic	±1	LSB
积分非线性（INL）	最佳拟合	±4	LSB
总未调整误差（TUE）	25°C	±0.1	%FSR
偏移误差漂移	FSR=±2.048V	±5	ppm/°C
增益误差漂移	FSR=±2.048V	±20	ppm/°C
输出噪声（0.1Hz~10Hz）	中量程输出	70	μVpp
输出噪声密度	1kHz，中量程输出	700	nV/√Hz
建立时间	CL=15μF，2.5V 阶跃（±2.5mV 误差内）	400	μs

3. ADC 关键性能（TA=25°C，VDD=5V）

参数	测试条件	典型值	单位
高电压输入分辨率	ADCHV 输入	3.125	mV/LSB
电流检测分辨率	SENSE 输入，SHUNT_RANGE=1	1.25	μV/LSB
温度传感器精度	TJ=-40°C~+125°C	±2.5	°C
共模抑制比（CMRR）	直流，SENSE 输入	120	dB
偏移电压	SENSE 输入，VCM=48V	±10	μV
增益误差	SENSE 输入，VCM=24V	±0.1	%

四、核心功能与工作模式

1. DAC 输出配置与控制

（1）输出范围配置

AFE20408 的 DAC 分为 A、B 两组（各 4 通道），支持三种输出模式，通过 VCCA/VCCB、VSSA/VSSB 供电配置实现：

• 全正输出模式 ：VSSA/VSSB 接地，VCCA/VCCB 接 311V，DAC 输出 0V10V（受 VCC 限制，如 VCC=5V 时最大输出 5V）；
• 全负输出模式 ：VCCA/VCCB 接地，VSSA/VSSB 接 -11-3V，DAC 输出 -10V0V（受 VSS 限制，如 VSS=-5V 时最小输出 -5V）；
• 混合输出模式 ：A 组负输出（VCCA 接地，VSSA 接负电源），B 组正输出（VCCB 接正电源，VSSB 接地），适配同时需要正负偏置的 PA 阵列。

（2）开关与序列控制

• 输出开关 ：OUTA0/OUTA2/OUTB0/OUTB2 引脚通过 DRVEN0/DRVEN1 或软件控制，可切换至 DAC 输出（工作）或 VSS/DAC 钳位电压（关断），切换时间 400ns，适配 PA 快速使能 / 关断；
• 启动 / 关断序列 ：支持配置 PA 启动时 “先栅极偏置后漏极电源”、关断时 “先漏极电源后栅极偏置”，通过 PAON 引脚同步控制外部 PMOS 开关，防止 PA 栅极击穿。

2. ADC 监控与报警

（1）多通道监测

• 高电压监测 ：ADCHV0/ADCHV1 监测 PA 电源电压（如 28V/48V），分辨率 3.125mV/LSB，适配高压系统监控；
• 电流检测 ：SENSE0±/SENSE1± 串联分流电阻（如 0.01Ω），监测 PA 工作电流（如 016A，对应分流电压 0160mV），支持双向电流（正 / 负电流）；
• 温度监测 ：片内温度传感器监测芯片结温，可用于 PA 偏置的温度补偿（如 GaN PA 栅极电压随温度动态调整）。

（2）报警机制

• 超限报警 ：可配置 ADC 高 / 低阈值（如 ADCHV 过压阈值 50V、SENSE 过流阈值 100mV），连续 N 次超限后触发报警（N=1/4/8/16/32/64/128/256 可编程）；
• 报警响应 ：报警时可触发 ALARMOUT 引脚输出、DAC 自动掉电（APD 功能）、PAON 关断，确保系统安全（如过温时关闭 PA 避免损坏）。

3. 串行接口与寄存器控制

（1）接口选择

• I2C 模式 ：支持快速模式（400kHz），16 种可选地址（A0/A1 引脚接 GND/VIO/SDA/SCL 组合），兼容 1.8V/3.3V 总线电压；
• SPI 模式 ：支持最高 25MHz 时钟，SDO 输出延迟可编程（FSDO 位控制），适合高速数据传输（如多通道 ADC 数据读取）。

（2）寄存器架构

采用分页式寄存器设计，按功能分为全局寄存器（复位、电源使能）、ADC 配置寄存器（转换速率、阈值）、DAC 配置寄存器（电流模式、钳位选择）等，关键寄存器如下：

寄存器类别	代表寄存器	核心功能
全局寄存器	PWR_EN	使能 DAC 通道、PAON 引脚
	TRIGGER	触发 ADC 转换、DAC 同步更新
ADC 配置寄存器	ADC_GEN_CFG	设置 ADC 转换模式（自动 / 单次）、电流检测范围（SHUNT_RANGE）
	SENSE0_UP_THRESH	配置 SENSE0 电流检测上限阈值
DAC 配置寄存器	DAC_CURRENT	设置各 DAC 通道电流模式
	DAC_CODE_LIMIT	限制 DAC 输出码（防止超量程）

五、应用设计建议

1. 硬件设计关键要点

（1）电源与去耦

• 电源配置 ：
  • 模拟电源（VDD）：建议 5V 供电，需与数字电源（VIO）隔离（如使用 LDO 二次稳压），避免数字噪声耦合；
  • DAC 电源（VCC/VSS）：正输出时 VCC 并 1μF X7R 电容去耦，负输出时 VSS 并 1μF 电容，均靠近引脚放置（距离 <2mm）；
• 去耦要求 ：VDD、VIO 引脚旁各并 0.1μF MLCC 电容，VCCA/VCCB、VSSA/VSSB 旁并 1μF 电容，降低电源噪声。

（2）DAC/ADC 输入输出电路

• DAC 输出 ：
  • 容性负载：OUT 引脚接 10nF~1μF 电容滤波（根据开关速度需求选择，高速切换选小电容）；
  • 限流保护：DAC 输出串 100Ω 电阻（防止输出短路损坏芯片）；
• ADC 输入 ：
  • 高电压监测（ADCHV）：串 100Ω 电阻 + 470pF 电容组成低通滤波（截止频率～3.4kHz），抑制高频噪声；
  • 电流检测（SENSE）：分流电阻选用高精度（0.1%）、低温度系数（<50ppm/°C）型号，布线长度匹配（差异 <0.5mm），避免共模噪声。

（3）热设计

• 热焊盘：底部热焊盘需通过至少 4 个过孔（0.3mm 孔径）连接至 PCB 接地平面，接地平面面积 ≥10mm×10mm，确保散热；
• 布局：芯片远离大功率器件（如 PA、电源模块），避免热耦合导致温度测量误差。

2. 软件初始化流程

1. 电源复位 ：上电后等待 5ms，确保所有电源稳定，执行硬件 / 软件复位（RESET 引脚拉低或写入 SW_RST 指令），使寄存器进入默认状态；
2. ADC 配置 ：
   • 写入 ADC_GEN_CFG 寄存器：设置转换模式（自动 / 单次）、电流检测范围（如 SHUNT_RANGE=1 对应 ±40.96mV）；
   • 配置 ADC_CCS 寄存器：定义 ADC 通道序列（如先测温度、再测电流、最后测电压）；
   • 设置阈值：写入 SENSE0_UP_THRESH、ADCHV0_UP_THRESH 等寄存器，配置超限报警阈值；
3. DAC 配置 ：
   • 写入 DAC_CURRENT 寄存器：设置各 DAC 电流模式（如正常模式 90mA）；
   • 配置 DAC_APD_SRC 寄存器：使能报警触发 DAC 掉电（如过温、过压）；
   • 写入 DAC 数据：通过 DAC 缓冲寄存器写入初始偏置电压（如 GaN PA 栅极 -3V）；
4. 使能与触发 ：
   • 写入 PWR_EN 寄存器：使能 DAC 通道、PAON 引脚；
   • 触发 ADC 转换：写入 ADC_TRIG 位，启动首次 ADC 监测；
   • 同步 DAC 更新：若使用同步模式，写入 DAC_TRIG 位，更新所有 DAC 输出。