正確理解DRV8705-Q1的VGS檢測(cè)機(jī)制

作者：Frank Qin

Abstract

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：

1. 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)。

2. 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。

3. 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。

4. 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：

1. 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。

2. 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。

3. 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)

1. DRV8705-Q1 數(shù)據(jù)手冊(cè) (SLLSFB6A)

2. Smart Gate Drive (SLVAE70)

3. Understanding Smart Gate Drive (SLVA714D)