5.1 保护功能

[音乐播放] 大家好。 我叫 Aaron Barrera，是德州仪器 (TI) 电机驱动团队的产品营销工程师。 在本视频中，我将讨论电机驱动器中 提供的保护功能。 让我们开始吧。 今天，我将讨论保护功能 是如何检测不安全状况的， 然后详细讨论大多数 TI 电机 驱动器上的四种保护功能， 并简要介绍其他电机驱动器上的 特定保护电路。 TI 的电机驱动器配备了 各种智能保护电路，可在发生不安全 状况时保护电机和系统。 这些电路中的许多电路都使用比较器， 如果在特定条件下超过阈值电压， 比较器就会跳闸。 如果在一段时间内发生这种情况， 驱动器将自动禁用功率 MOSFET， 以保护电机和 FET。 保护功能因驱动器支持的 电机类型、系列和接口而异。 例如，带有集成 H 桥的 简单刷式直流电机驱动器 可能仅具有基本保护功能， 包括欠压、过流 和过热。 诸如刷式直流或无刷直流栅极驱动器等 更复杂的器件可能需要高级保护功能， 如开路负载检测，电池或接地短路 诊断、VGS 监测和栅极驱动器监测。 最后，有些器件具有硬件接口， 而其他器件则具有称为 SPI 的 串行外设接口。 SPI 器件提供了有关发生了什么 故障的更多信息，并为工程师们提供了 他们希望驱动器在故障情况下如何响应的灵活性， 我将在下一张幻灯片中对其进行详细介绍。 电机驱动器上生成的任何故障的 中心引脚称为 nFAULT，其可在许多硬件 和 SPI 器件上找到。此引脚用于报告故障情况。 硬件和 SPI 配置在故障报告 和故障处理方面有许多 不同之处。 在硬件设备中，许多操作参数 都是默认设置的，除了将 nFAULT 驱动为 低电平以外，没有任何迹象表明 发生了什么故障。 通常，故障状况消除后， 器件会自动重新启动 并启用驱动程序。 在 SPI 器件中，用户的优势 在于能够准确地知道发生了 什么类型的故障，并配置 MCU 将要采取的操作。 如果发生故障，则会根据检测到的 故障类型在 SPI 寄存器中设置一个故障位， 然后基于 SPI 配置，器件做出故障处理响应。 用户可以允许器件自动恢复、 清除故障位或在故障消除后 启用复位脉冲、仅生成报告或不采取任何措施。 在某些器件中，由于器件会自动处理故障， 无法对故障进行配置， 因此 MCU 必须清除故障位才能恢复正常操作。 现在，让我们讨论一下电机驱动器中最常见的 四种保护功能。 首先要讨论的保护功能是 电源欠压锁定 (UVLO)。 如果电机电源电压 VM 低于 UVLO 下降阈值电压，就会发生欠压锁定。 如果发生这种情况，MOSFET 和电荷泵 将自动禁用，并通过将 nFAULT 引脚驱动为低电平来生成故障。 一旦电机电压高于 UVLO 上升阈值， 栅极驱动器将重新启用，nFAULT 将被驱动为高电平， 器件将继续正常运行。 实施欠压迟滞功能是为了确保欠压 发生在电源本底噪声之外， 并且不会重复开关该器件。 下一个保护电路是 电荷泵欠压 (CPUV)。 任何具有高侧NMOS 功率 MOSFET 的 电机驱动器也可能包括集成 电荷泵。 所产生的电荷泵电压会增强高侧 栅极驱动器，因此，如果电荷泵电压不足， 则无法保证NMOS 导通。 当电荷泵电压在任何一点 下降到低于CPUV 阈值电压时， MOSFET 将被禁用，并且通过将 nFAULT 驱动为低电平来生成故障。 一旦电荷泵电压高于电荷泵 欠压阈值，CPUV 故障将被消除， nFAULT 返回高电平， 器件将继续正常运行。 电机驱动器的第三个也是 最重要的功能是过流保护。 驱动电机时，功率 MOSFET 用于控制栅极驱动器的 PWM 开关。 如果出现VM 短路、 接地或击穿情况， 则必须监测过流情况， 以防止 FET 的电机或电机驱动器 发生故障或损坏。 因此，过流保护 (OCP) 可以通过多种方法集成， 具体情况取决于器件。 如果输出电流超过过电流阈值 IOCP， 则会发生 OCP。 当 OCP 发生时，该器件具有一个快速动作的 模拟电流限制，在硬短路的情况下， 它将输出电流降至可管理的水平。 如果经过一段时间后降低的电流超过阈值， 则所有 MOSFET将被禁用， nFAULT 将被驱动为低电平。 有些硬件设备会在故障消除后 自动重试以启用驱动程序， 而 SPI 器件具有可配置的模式 来决定在检测到过流故障后将采取 何种措施。 例如，如右图所示， DRV8873-Q1 是一款带有 SPI 接口的 集成 H 桥驱动器。 在 OUT2 节点对 VM 的短路 会通过低侧 FET产生高电流尖峰， 该尖峰超过过流阈值，从而触发 OCP 故障。 将设置 OCP 故障位，将 nFAULT 驱动为低电平， 并根据 OCP 配置模式采取措施。 对于带有外部MOSFET 的器件， 该 MOSFET 的漏极和源极引脚之间的 电压差（称为 VDS）可以与内部阈值 电压进行比较。 如果 VDS 大于该阈值， 则将触发 VDS过电流故障。 驱动半桥时，一次只能 导通一个 FET。 在这种情况下，VDS 监测仅在 开启的 FET 上进行。 让我们分析一下高侧 FET 的 VDS。 如果高侧 FET 导通而低侧 FET 关断， 则高侧上的 VDS等于 RDS(on) 乘以 FET 电流。 RDS(on) 通常在毫欧范围内。 因此，VDS 是一个很小的电压， 大约小于 1 伏。 假设输出对地短路。 现在，当高侧FET 导通时， VDS 基本上等于 VM，并且大量电流 将通过 FET 同步，VDS 超过 VDS 过流 保护阈值，器件将产生 OCP 故障。MOSFET 将被禁用， nFAULT 将被驱动为低电平。 同样，对于带有电流分流放大器 或 CSA 的器件，如果外部分流 电阻器的电压差高于 CSA 的阈值电压， 则会发生 OCP。 当低侧 FET 导通时， VSEN 等于电流乘以感应 电阻。 同样，感应电阻通常 在毫欧范围内，因此 VSEN 将是 一个大约小于1 伏的小电压。 如果检测到高于阈值的电压， 则将触发 OCP 故障，MOSFET 将被禁用， nFAULT 将被驱动为低电平。 所有 TI 电机驱动器中的最后一个 主要保护特性是热保护。 裸片温度通过内部温度传感器进行监控， 并监控温度和内部逻辑。 假设负载电流长时间为 2 安培。 裸片温度 Tj将随着驱动器的运行 而持续升高。 如果裸片温度超过热警告跳变点， 则会发生过热警告或 OTW。 器件将继续运行， 并在 SPI 寄存器中生成报告。 请务必注意，并非所有 TI 电机 驱动器都存在过热警告。 如果温度继续升高并超过 热关断的跳变点， 则会发生过热关断模式 (OTSD)， MOSFET 被禁用，电荷泵被禁用， nFAULT 被驱动为低电平。 如果是 SPI 器件，则故障位将被锁存为高电平。 当裸片温度低于热警告温度 减去热迟滞温度时， 器件将自动重试 以恢复正常工作。 如此大的热迟滞使器件可以 恢复到较低的温度， 然后再次恢复正常工作。 根据器件、系列和接口的不同， TI 电机驱动器还具有许多 其他特定的保护功能。 当电机电压高于系统额定电压时， 就会发生过压保护。 这样可以防止电机过载和 输出中的异常行为。 栅极驱动器故障指示栅极驱动信号 是否在 PWM 开关所需的时间段内 适当地改变。 通过在一段时间内未检测到变化， 可以检测到栅极驱动引脚上的输出短路。 开路负载检测功能 可在负载从 MOSFET 的输出级断开时 发送故障。 器件上具有离线电池短路 和接地短路诊断功能， 可在电机开始旋转之前检测外部器件的短路情况。 死区时间是在 TI 智能栅极驱动架构上实现的 一个特性。 电机驱动器在输出阶段不断地 打开和关闭 FET，因此必须关闭 两个 FET 以避免击穿电流情况。 为实现这一点，将自动插入 数字死区时间以保护 FET、 栅极驱动器和电机的完整性。 此外，智能栅极驱动器还可以 通过智能监测和驱动器动作来保护 MOSFET 免受意外导通的影响。 如需查找更多电机驱动器技术资源和搜索产品， 请访问ti.com/motordrivers。 谢谢观看。