正確理解DRV8705-Q1的VGS檢測(cè)機(jī)制
作者:Frank Qin
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202312/454136.htmAbstract
隨著汽車電子的快速發(fā)展,汽車上很多電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式已經(jīng)從傳統(tǒng)繼電器逐漸演變成為MOSFET驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)更高速和更精確的控制,現(xiàn)在對(duì)于MOSFET預(yù)驅(qū)的要求也逐漸變高。DRV8705-Q1作為一款高度集成式 H 橋柵極驅(qū)動(dòng)器不僅可以滿足現(xiàn)在越發(fā)精細(xì)的需求,也可以實(shí)現(xiàn)更多元的保護(hù),確保系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種風(fēng)險(xiǎn)和錯(cuò)誤都可以被識(shí)別到并實(shí)施保護(hù)。本文即具體討論DRV8705-Q1的VGS檢測(cè)機(jī)制以及一些經(jīng)驗(yàn)分享。
Contents
1. 背景介紹............................................................1
2. 診斷和保護(hù)類型..................................................2
2.1 VGS監(jiān)控機(jī)制................................................... 2
2.2 VGS監(jiān)控觸發(fā)點(diǎn):tDRIVE 以及deglitch time.......3
2.3 VGS報(bào)錯(cuò)和恢復(fù)機(jī)制......................................... 4
2.4 VGS監(jiān)控和INx信號(hào)反轉(zhuǎn)的關(guān)系......................... 4
3..... Corner case舉例............................................ 5
4..... 總結(jié)................................................................ 6
參考文獻(xiàn)..................................................................6
Figures
Figure 1. DRV8705內(nèi)部設(shè)計(jì)示意框圖......................................... 2
Figure 2. VGS錯(cuò)誤檢測(cè)的觸發(fā)點(diǎn)和有效區(qū)間................................. 3
Figure 3. VGS報(bào)錯(cuò)和不報(bào)錯(cuò)的兩種情況........................................ 4
Figure 4. MOSFET閉合太緩導(dǎo)致的VGS誤報(bào)舉例....................... 6
1. 背景介紹
DRV8705-Q1 是一款高度集成式 H 橋柵極驅(qū)動(dòng)器,能夠驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè) N 溝道功率 MOSFET。它可使用集成式倍增電荷泵(針對(duì)高側(cè))和線性穩(wěn)壓器(針對(duì)低側(cè))生成合適的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。DRV8705-Q1 提供了一系列保護(hù)功能,可確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。此類功能包括適用于電源和電荷泵的欠壓和過壓監(jiān)控、適用于外部 MOSFET 的 VDS 過流和 VGS 柵極故障監(jiān)控、離線開路負(fù)載和短路診斷,以及內(nèi)部熱警告和熱關(guān)斷保護(hù)功能。DRV8705-Q1有兩種版本,H版本為硬線版本,可以簡(jiǎn)化控制并節(jié)省MCU引腳資源。S版本為SPI控制,可以詳細(xì)配置和診斷。
2. 診斷和保護(hù)類型
DRV8705-Q1可以支持多種診斷和保護(hù)類型,包括運(yùn)行前的系統(tǒng)監(jiān)控(offline diagnostic)和運(yùn)行中的故障監(jiān)控:對(duì)于電源和電荷泵的欠壓及過壓監(jiān)控、針對(duì)外部MOSFET的VDS和VGS柵極故障監(jiān)控、離線開路負(fù)載和短路檢測(cè),以及內(nèi)部熱警告和熱關(guān)斷保護(hù)。其中為了保護(hù)外部MOSFET,VGS檢測(cè)和保護(hù)尤為重要:通過對(duì)外部MOSFET的VGS電壓的監(jiān)控并控制MOSFET的開關(guān),可以有效防止MOSFET的柵極短路錯(cuò)誤或柵極電壓卡在高位或低位的情況。
Figure 1. DRV8705內(nèi)部設(shè)計(jì)示意框圖
2.1 VGS監(jiān)控機(jī)制
VGS(柵源電壓)是柵極相對(duì)于源極的電壓,VTH(閾值電壓)是MOSFET導(dǎo)通或截止的閾值。柵源電壓(VGS)與閾值電壓(VTH)之間的關(guān)系直接決定了MOSFET的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)。要實(shí)現(xiàn) MOSFET的開關(guān)功能,需要確保 VGS 大于 VTH。在MOSFET導(dǎo)通時(shí),柵源電壓(VGS)大于閾值電壓(VTH),溝道形成,電流可以通過器件。而在MOSFET截止時(shí),柵源電壓(VGS)小于閾值電壓(VTH),溝道被堵塞,電流無法通過。
因此DRV8705通過監(jiān)控VGS和設(shè)定的閾值VGS_LVL做比較(如圖1),來判定MOSFET是否正確的導(dǎo)通或者截止。以此來防止輸出錯(cuò)誤、柵極短路以及上下管直通的問題。VGS_LVL可以通過寄存器9h bit1來修改,有1V和1.4V兩個(gè)選項(xiàng)。VGS fault會(huì)在VGSHx和VGSLx的上升沿和下降沿做檢測(cè),當(dāng)在tDRIVE時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到VGS電壓穿過VGS_LVL時(shí),就會(huì)報(bào)出VGS fault的錯(cuò)誤,芯片停止輸出并提出警報(bào)(拉低nFAULT或WARN)。所以datasheet的Table 7-9將VGS觸發(fā)條件標(biāo)注為VGS > VGS_LVL是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?,?yīng)以datasheet章節(jié)7.3.8.8 Gate Driver Fault (VGS_GDF)中描述的“cross”為準(zhǔn),可以包含上升沿和下降沿的兩種情況。
2.2 VGS監(jiān)控觸發(fā)點(diǎn):tDRIVE 以及deglitch time
MOSFET正在打開或者閉合的這個(gè)時(shí)間稱之為tDRIVE,也就是VGSHx和VGSLx這兩個(gè)電壓正在上升或者下降的時(shí)間(如圖2)。對(duì)于VGS錯(cuò)誤檢測(cè)來說,tDRIVE時(shí)間就是blanking time,這個(gè)時(shí)間內(nèi)VGS相對(duì)于閾值的關(guān)系是不會(huì)被關(guān)注的。而deglitch time是真正去判斷VGS和閾值之間相互關(guān)系的時(shí)間區(qū)間,對(duì)于DRV8705-Q1來說,無論是S還是H版本,deglitch time都固定在2us。也就是意味著如果VGS在這2us的時(shí)間內(nèi)依然沒有穿過閾值,芯片會(huì)在認(rèn)為MOSFET沒有正確地打開或者關(guān)閉,芯片會(huì)在2us結(jié)束后報(bào)錯(cuò)。
Figure 2. VGS錯(cuò)誤檢測(cè)的觸發(fā)點(diǎn)和有效區(qū)間
圖2中綠色部分比較直觀地展示了檢測(cè)VGS fault的場(chǎng)景,即VGSHx和VGSLx在上升沿和下降沿的tDRIVE(blanking time)結(jié)束后開始檢測(cè),deglitch time是緊接著tDRIVE結(jié)束后立即開始的。在綠色區(qū)域的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的VGS錯(cuò)誤都會(huì)在2us的deglitch time結(jié)束后報(bào)錯(cuò)。圖3舉例說明了VGS報(bào)錯(cuò)和不報(bào)錯(cuò)的兩種情況。
Figure 3. VGS報(bào)錯(cuò)和不報(bào)錯(cuò)的兩種情況
請(qǐng)注意,對(duì)于DRV8705-Q1來說,tDRIVE的時(shí)間并不是由MOSFET決定的。H版本的tDRIVE固定為4us,S版本的tDRIVE是可以通過寄存器調(diào)整的(2~96us)。因此,在利用DRV8705-Q1s設(shè)計(jì)時(shí),請(qǐng)根據(jù)選用的MOSFET型號(hào)以及配置的IDRIVE電流確定合適的芯片tDRIVE時(shí)間。判斷標(biāo)準(zhǔn)為,需保證MOSFET打開或閉合的時(shí)間不長(zhǎng)于DRV8705-Q1的tDRIVE時(shí)間,否則極有可能被芯片判斷為VGS fault。
2.3 VGS報(bào)錯(cuò)和恢復(fù)機(jī)制
當(dāng)VGS fault被診斷出后,DRV8705S-Q1可以支持四種不同的報(bào)錯(cuò)和恢復(fù)機(jī)制,可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要進(jìn)行選擇:
Latched Fault Mode:發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后,驅(qū)動(dòng)停止使能,nFAULT pin、FAULT寄存器和VGS寄存器都會(huì)報(bào)錯(cuò)。而且當(dāng)故障移除后必須通過手動(dòng)清除CLR_FLT寄存器才可以重置并恢復(fù)驅(qū)動(dòng)。
Cycle by Cycle Mode:發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后,驅(qū)動(dòng)停止使能,nFAULT pin、FAULT寄存器和VGS寄存器都會(huì)報(bào)錯(cuò)。當(dāng)下一個(gè)PWM信號(hào)進(jìn)來后,驅(qū)動(dòng)即可自行恢復(fù)。但是VGS寄存器仍會(huì)留存信息,需要手動(dòng)清除CLR_FLT寄存器。
Warning Report Only Mode:發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后芯片只會(huì)通過寄存器和WARN提示,并不會(huì)中止輸出。
Disabled Mode:發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后不會(huì)有任何的反饋和提醒。
DRV8705H-Q1版本是固定在了Cycle by Cycle Mode,tDRIVE和deglitch time也都是固定不可調(diào)的。
2.4 VGS監(jiān)控和INx信號(hào)反轉(zhuǎn)的關(guān)系
DRV8705-Q1支持PWM控制,因此MOSFET上下管的開閉也是可以通過PWM不同的占空比來實(shí)現(xiàn)不同的開閉頻率。因此代表PWM信號(hào)反轉(zhuǎn)的INx信號(hào)可以看作是MOSFET開閉動(dòng)作的觸發(fā)。如圖2所示,每次INx信號(hào)反轉(zhuǎn)都出發(fā)了MOSFET上管或下管的閉合。
但是,當(dāng)占空比很小時(shí),INx的反轉(zhuǎn)信號(hào)很可能會(huì)落在tDRIVE或deglitch time這個(gè)區(qū)間中。INx落在不同的地方也會(huì)給VGS診斷帶來不同的影響,VGS診斷報(bào)錯(cuò)也會(huì)做出不同的反饋。根據(jù)IN信號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn)的不同時(shí)間點(diǎn),以DRV8705H-Q1(tDRIVE=4us)為例,三種情況分類如下:
當(dāng)IN信號(hào)反轉(zhuǎn)發(fā)生在blanking/tDRIVE time(4us)內(nèi),此時(shí)是VGS的blanking time,錯(cuò)誤不會(huì)被識(shí)別。而新周期的診斷會(huì)隨著IN信號(hào)反轉(zhuǎn)同步開始。
當(dāng)IN信號(hào)反轉(zhuǎn)發(fā)生在deglitch time(2us)內(nèi),此時(shí)如果有相應(yīng)錯(cuò)誤已經(jīng)達(dá)成觸發(fā)條件,nFAULT依然會(huì)在deglitch time后報(bào)錯(cuò)。而新的診斷是隨著IN信號(hào)反轉(zhuǎn)同步開始。
當(dāng)IN信號(hào)反轉(zhuǎn)發(fā)生在blanking和deglitch time(4+2us)之后,隨著IN反轉(zhuǎn),上一個(gè)診斷直接停止,進(jìn)入下一個(gè)周期的診斷。
3. Corner case舉例
如下圖4的示波器截圖,測(cè)試芯片是H版本的DRV8705H-Q1。其中綠色是IN信號(hào),藍(lán)色是VGSHx,粉色是VGSLx,黃色是nFAULT信號(hào),X軸每格是2us。
從波形可以看出,黃線nFAULT拉低表示報(bào)錯(cuò),芯片判斷為VGS fault,nFAULT拉低的時(shí)間正好大約是IN信號(hào)拉高的6us之后,也就是tDRIVE+deglitch的(4+2)us。從綠色的IN信號(hào)可以算出,此時(shí)的PWM(50Hz)占空比很高,是92%,MOS管上管下降很緩,沒能在IN高電平的時(shí)間內(nèi)完成下降,粉線表示的下管沒有成功開啟,可以看到此時(shí)藍(lán)線表示的上管已經(jīng)開始第二次開啟。從波形圖可以清楚看到,由于MOSFET下降太緩,導(dǎo)致沒能完成閉合。這個(gè)case巧合的地方在于,IN信號(hào)反轉(zhuǎn)的時(shí)間點(diǎn)正好和tDRIVE時(shí)間結(jié)束也就是deglitch time診斷開始的時(shí)間點(diǎn)是重合的。對(duì)于VGS診斷來說,此時(shí)就正式開始監(jiān)控,而恰好此時(shí)IN信號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn),則VGS診斷直接記錄了此時(shí)的VGS電壓并在2us的規(guī)定動(dòng)作之后報(bào)錯(cuò)拉低了nFAULT。
這個(gè)case雖然巧合,恰好因?yàn)镻WM占空比的IN反轉(zhuǎn)信號(hào)踩在了blanking time結(jié)束的時(shí)間點(diǎn),觸發(fā)了診斷報(bào)錯(cuò)。但是真正引發(fā)錯(cuò)誤的根本原因是MOSFET下降太緩,沒有在tDRIVE的時(shí)間內(nèi)完成下降而觸發(fā)了錯(cuò)誤。因此在配置tDRIVE時(shí)間以及MOSFET選型時(shí),這是需要注意規(guī)避的要點(diǎn)。
Figure 4. MOSFET閉合太緩導(dǎo)致的VGS誤報(bào)舉例
4. 總結(jié)
DRV8705-Q1作為一款集成了多種診斷和保護(hù)功能的H橋柵極橋驅(qū)芯片,可以靈活應(yīng)用在各類需要馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的汽車類應(yīng)用中。正確理解DRV8705-Q1的診斷和保護(hù)模式也可以更好地利用該芯片實(shí)現(xiàn)安全高效地應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
DRV8705-Q1 數(shù)據(jù)手冊(cè) (SLLSFB6A)
Smart Gate Drive (SLVAE70)
Understanding Smart Gate Drive (SLVA714D)
評(píng)論