AFEx39xx 系列智能模拟前端技术总结

8 位 AFE439A2、10 位 AFE539A4 和 12 位 AFE639D2 （AFEx39xx） 是智能模拟前端 （AFE），用于使用电压或 PWM 输出进行热电冷却 （TEC） 控制。该AFE639D2支持一个 I 2C 控制器接口，以与外部数字温度传感器连接。AFE639D2和AFE539A4支持电压输出，AFE439A2支持PWM输出。AFEx39xx 支持用于故障管理的比较器通道。这些器件还支持断电期间 DAC 通道上的 Hi-Z 掉电模式和 Hi-Z 输出。这些器件具有一个集成状态机，该状态机预编程为比例积分 （PI） 控制器。AFEx39xx 是 TEC 控制、温度控制和动态裕量控制应用的绝佳选择。AFEx39xx集成了高级功能、内部基准电压源和NVM，使这种智能AFE能够实现无处理器应用和设计重用。
*附件：afe439a2.pdf

特性

• 集成比例积分 （PI） 控制
  • 从非易失性存储器 （NVM） 进行独立作
  • 可编程比例和积分增益
  • 用于输出箝位的比较器输入
  • 可编程的输出最小值、最大值和共模值
  • 可编程环相反相
• AFE639D2
  • 用于外部数字温度传感器接口的 I 2C 控制器
  • 12 位 DAC 输出：4-LSB DNL、1-LSB DNL
• AFE539A4
  • 10位ADC输入：2-LSB INL、1-LSB DNL
  • 10位DAC输出：1LSB INL和DNL
• AFE439A2
  • 8位ADC输入：1LSB INL和DNL
  • 7位占空比PWM输出
• 用于故障管理的可编程比较器
• VDD关闭时DAC通道上的高阻抗输出
• 自动检测 I 2C 或 SPI
  • 1.62V V IH，V DD = 5.5 V
• VREF/MODE引脚可在编程模式和独立模式之间进行选择
• 用户可编程NVM
• 内部、外部或电源作为参考
• 工作范围广
  • 电源：1.8 V 至 5.5 V
  • 温度范围：–40°C 至 +125°C
• 微型封装：16引脚WQFN（3 mm × 3 mm）

参数

方框图

AFEx39xx 系列（含 AFE439A2、AFE539A4、AFE639D2）是德州仪器（Texas Instruments）推出的 智能模拟前端（AFE） ，专为热电冷却（TEC）控制设计，通过电压或 PWM 输出实现温度闭环控制，同时集成 ADC/DAC、比较器、PI 控制器等功能，适用于激光冷却、气体分析、LiDAR、机器人传感等对温度精度与集成度要求严苛的场景。以下从产品差异、核心特性、性能参数、功能架构、应用设计及订购信息等方面展开总结。

一、产品型号差异与定位

AFEx39xx 系列三款器件核心功能与分辨率存在差异，可根据系统对精度、输出方式的需求灵活选择，具体差异如下表所示：

型号	分辨率	核心功能	输出方式	适用场景
AFE439A2	8 位	8 位 ADC、7 位 PWM 输出、比较器、集成 PI 控制器	PWM 输出	低成本 TEC 控制、简单温度调节系统
AFE539A4	10 位	10 位 ADC、10 位 DAC、比较器、集成 PI 控制器	电压输出	中高精度温度控制（如激光二极管冷却）
AFE639D2	12 位	12 位 DAC、I²C 控制器（对接外部数字温度传感器）、比较器、集成 PI 控制器	电压输出	高精度温度控制（如医疗设备、气体分析）

三款器件均采用 16 引脚 WQFN 封装（3mm×3mm） ，支持 - 40°C 至 125°C 宽温工作，单 1.8V-5.5V 供电，集成非易失性存储器（NVM）实现独立运行，无需外部处理器，大幅简化系统设计。

二、核心特性与性能参数

1. 通用特性

• 供电与功耗 ：
  • 供电电压：1.8V-5.5V 单电源，适配不同系统供电需求。
  • 功耗：休眠模式下典型电流 28μA，正常工作模式下 AFE439A2 约 1.05mA、AFE539A4 约 1.4mA、AFE639D2 约 1.04mA，低功耗特性适配便携式设备。
• 接口与控制 ：
  • 自动协议检测：支持 I²C（标准 / 快速 / 快速 + 模式）与 SPI（3 线 / 4 线），上电后自动识别通信协议，无需硬件配置。
  • NVM 存储：用户可将 PI 参数、输出范围等配置存储至 NVM，上电后自动加载，支持独立运行（无处理器场景）。
  • 保护功能：集成电源掉电高阻输出、寄存器锁定（防止误写）、NVM CRC 校验（确保配置完整性）。
• 温度与可靠性 ：
  • 工作温度：-40°C 至 125°C，满足工业与汽车级环境需求。
  • ESD 防护：人体放电模型（HBM）±2000V，带电设备模型（CDM）±500V，保障装配与使用过程中的可靠性。

2. 关键性能参数（典型值，TA ​ =25**∘C，VDD​**=**5.5**V）

性能类别	参数	AFE439A2（8 位）	AFE539A4（10 位）	AFE639D2（12 位）	单位
ADC 性能	积分非线性（INL）	±2 LSB	±2 LSB	-（外接传感器）	LSB
	微分非线性（DNL）	±1 LSB	±1 LSB	-	LSB
	输入范围（Hi-Z 模式）	0-VDD/3	0-VDD/3	-	V
	采样率（4 次平均）	1406-2008 SPS	1406-2008 SPS	-	SPS
DAC 性能	积分非线性（INL）	-	±1 LSB	±4 LSB	LSB
	微分非线性（DNL）	-	±1 LSB	±1 LSB	LSB
	输出电压范围	-	0-VDD	0-VDD	V
	建立时间（10% FSR）	-	20 μs	25 μs（增益 4×）	μs
PWM 性能（AFE439A2）	频率范围	0.218-48.828 kHz	-	-	kHz
	占空比范围	0%-100%	-	-	%
比较器性能	响应时间	10 μs	10 μs	10 μs	μs
	失调误差	±5 mV	±5 mV	±5 mV	mV
PI 控制器	比例增益（Kp）	16 位可编程	16 位可编程	16 位可编程	-
	积分增益（Ki）	16 位可编程	16 位可编程	16 位可编程	-

三、核心功能架构

1. 模拟前端模块

（1）ADC/DAC 与信号调理

• ADC 模块（AFE439A2/AFE539A4） ：
  • 输入模式：支持高阻抗（Hi-Z）与有限阻抗模式，Hi-Z 模式下输入范围为 0-VDD/3，有限阻抗模式下支持 0-VDD 全范围输入，适配 NTC 热敏电阻、模拟温度传感器等输入。
  • 精度优化：集成偏移校准与增益校准，AFE539A2 偏移误差 ±5mV，AFE539A4 增益误差 ±0.5% FSR，确保温度采样精度。
• DAC 模块（AFE539A4/AFE639D2） ：
  • 参考选择：支持内部 1.21V 参考（温度漂移 50ppm/°C）、外部参考（1.7V-VDD）或电源作为参考，灵活适配不同输出范围需求。
  • 增益配置：内部参考支持 1.5×、2×、3×、4× 增益，例如 1.21V 参考 + 4× 增益时，DAC 输出范围可达 0-4.84V，满足 TEC 驱动电压需求。

（2）比较器与故障管理

• 可编程比较器 ：
  • 输入范围：Hi-Z 模式下为 VREF/3，有限阻抗模式下为 VREF，可设置阈值用于过温保护、电流限制等故障检测。
  • 输出配置：支持推挽 / 开漏输出，可反转输出相位，故障时可强制 PI 控制器输出预设值（FIXED-OUTPUT），提升系统安全性。

2. 数字控制与 PI 闭环

（1）集成 PI 控制器

• 核心功能 ：
  • 参数可编程：比例增益（Kp）、积分增益（Ki）、输出上下限（MAX-OUTPUT/MIN-OUTPUT）、共模电压（COMMON-MODE）均可通过 NVM 配置，适配不同 TEC 负载特性。
  • 相位调整：支持环路相位反转（LOOP-POLARITY），补偿外部电路相位延迟，避免闭环振荡。
  • 独立运行：NVM 存储 PI 参数，上电后自动加载，无需外部处理器，实现 “上电即控”。
• 控制逻辑 ：
  • 输入：AFE439A2/AFE539A4 通过内部 ADC 采集温度信号，AFE639D2 通过 I²C 读取外部数字温度传感器数据。
  • 输出：根据 PI 计算结果输出 PWM（AFE439A2）或电压（AFE539A4/AFE639D2），驱动 TEC 或 Buck-Boost 转换器调节温度。

（2）非易失性存储器（NVM）

• 功能 ：存储 PI 参数、ADC/DAC 配置、接口协议等，支持 20000 次擦写（-40°C-85°C）、50 年数据 retention，确保配置长期稳定。
• CRC 校验 ：内置 16 位 CRC-16 校验，检测 NVM 数据完整性，若数据损坏则自动加载出厂默认值，提升系统可靠性。

3. 通信接口

• I²C 接口 ：
  • 速率：支持标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）、快速 + 模式（1Mbps），A0 引脚可配置 4 种设备地址，支持多器件级联。
  • 广播地址：支持广播写入，可同步更新多个 AFEx39xx 器件配置，适用于多 TEC 并联系统。
• SPI 接口 ：
  • 模式：默认 3 线（SCLK/SDI/SYNC），配置 NC/SDO 引脚为 SDO 后支持 4 线读取，最高时钟频率 50MHz（写操作）、2.5MHz（读操作）。
  • 菊花链：支持多器件菊花链连接，减少 MCU 引脚占用，适用于大规模多通道系统。