以下文章來源于英飛凌汽車電子生態(tài)圈，作者Yu Haipeng

英飛凌的MOTIX MCU(SoC)家族產(chǎn)品集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)所有基本的模塊，包括LDO，MCU，bridge driver，current sense amplifier, CAN/LIN收發(fā)器，高壓檢測(cè)等模塊。在過去十多年的汽車小電機(jī)應(yīng)用上，該系列產(chǎn)品已得到廣泛使用。TLE989x作為全新產(chǎn)品，它的預(yù)驅(qū)模塊也集成了英飛凌最新技術(shù)，那究竟有哪些神奇的功能呢?讓我一探究竟吧。

Active/Free wheeling 檢測(cè)功能

在電機(jī)控制過程中，電流有時(shí)從控制器流向電機(jī)，有時(shí)反向。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，高邊和低邊的MOS都沒有開啟，此時(shí)電流方向如下圖FW線所示。

如果電流流向控制器(電機(jī))，那么只能通過高邊(低邊)MOS的體二極管流向電源(大地)。此時(shí)，我們稱高邊(低邊)為free wheeling MOS，對(duì)應(yīng)的另一側(cè)低邊(高邊)為active MOS。

如果低邊是active MOS，高邊是free wheeling MOS。那么在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，因?yàn)殡娏鹘?jīng)過高邊二極管流向電源，所以VSHx=VVSD+Vdiode，如下圖左側(cè)所示。反之，VSHx=VSL-Vdiode，如下圖右側(cè)所示。

在高邊或者低邊處于free wheeling狀態(tài)時(shí)，我們可以看到在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，VSH的電壓差別很大。因?yàn)椋琓LE989x通過檢測(cè)死區(qū)時(shí)間內(nèi)的VSH電壓，從而判斷哪個(gè)mos是free wheeling狀態(tài)。

如下圖測(cè)試結(jié)果所示，1號(hào)通道是判斷結(jié)果，2號(hào)通道是PWM波形。因?yàn)樵谌?a href="http://www.greenbey.cn/tags/bldc/" target="_blank">BLDC的FOC控制過程中，相電流是正弦波，所以可以得到1號(hào)通道所示的判斷結(jié)果在不斷變化。

時(shí)間測(cè)量功能

每個(gè)半橋在SH引腳處提供兩個(gè)高速電壓比較器，用于測(cè)量外部MOSFET導(dǎo)通或關(guān)斷期間SH電壓斜率的開始和結(jié)束。

如下圖低邊MOS控制信號(hào)示意圖所示，在相應(yīng)PWM控制信號(hào)的每次轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行時(shí)間測(cè)量并把結(jié)果存儲(chǔ)到寄存器。高邊時(shí)間測(cè)量是類似的原理。

自適應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)功能

MOS開關(guān)速度越快(慢)， 其功耗越低(高)，但EMC性能越差(好)。所以用戶不得不在功耗和EMC性能指標(biāo)上，通過調(diào)整開關(guān)速度，平衡二者關(guān)系。

如下圖所示，自適應(yīng)控制模式基于上一章節(jié)測(cè)到的開關(guān)時(shí)間，通過調(diào)整充放電電流大小，達(dá)到用戶設(shè)定的開關(guān)目標(biāo)時(shí)間。這極大降低了用戶的工作量，而且一定程度上可以補(bǔ)償MOS和預(yù)驅(qū)的參數(shù)離散性。

如果MOS處于free wheeling狀態(tài)，在開啟和關(guān)閉之前，電流已經(jīng)通過MOS體二極管達(dá)到最大值。此時(shí)，用戶只需要重點(diǎn)關(guān)注功耗，盡快打開MOS，降低損耗。所以采用constant mode是最佳選擇。如果MOS處于active狀態(tài)，在開啟和關(guān)閉之前，其電流為0，在開關(guān)過程中，電流將會(huì)從free wheeling MOS逐漸切換到active MOS，所以需要控制電流的斜率dI/dt，采用sequencer mode是最佳選擇。

基于此，TLE989x/8x可以基于前文介紹的active/freewheeling狀態(tài)檢測(cè)的結(jié)果，硬件自動(dòng)在constant和sequencer mode之間選擇。其實(shí)測(cè)效果如下圖所示，第一相的相電流大于0，低邊MOS是free wheeling狀態(tài)。所以其開關(guān)模式是constant mode，只能看到一個(gè)電流峰值，也是設(shè)置最快速度開關(guān)MOS，進(jìn)而在不影響EMC性能的前提下，盡可能降低開關(guān)損耗。第二相的相電流小于0，其低邊MOS屬于active，所以其開關(guān)模式是sequencer mode，可以看到多個(gè)電流峰值。

停機(jī)狀態(tài)下的短路和開路檢測(cè)功能

隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電機(jī)故障的快速檢測(cè)變得尤為重要。英飛凌的驅(qū)動(dòng)技術(shù)在這方面提供了一項(xiàng)創(chuàng)新的解決方案：無需打開驅(qū)動(dòng)，即可檢測(cè)電機(jī)短路和開路的情況。本節(jié)將詳細(xì)解析這一功能的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法。

一、電機(jī)短路檢測(cè)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，短路故障是常見的問題之一。英飛凌的驅(qū)動(dòng)技術(shù)通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在不啟用驅(qū)動(dòng)的情況下檢測(cè)短路的能力。其工作原理如下：

a. 電路配置

當(dāng)啟用HB上的上MOSFET的下拉診斷電流源（IPddiag）時(shí)，上拉診斷電流源（IPudiag）默認(rèn)處于啟用狀態(tài)。這種配置形成了一個(gè)固定電平，電約為1.5V。

b. 短路到地檢測(cè)

如果電機(jī)存在短路到地的情況，LS DS檢測(cè)比較器會(huì)感知到異常。此時(shí)，LS DS比較器的輸出為0，并置位相關(guān)的狀態(tài)位，以指示故障的發(fā)生。

c. 短路到電源檢測(cè)

類似地，當(dāng)電機(jī)發(fā)生短路到電源時(shí)，HS DS檢測(cè)比較器會(huì)檢測(cè)到異常。HS DS比較器的輸出同樣為0，并置位相關(guān)的狀態(tài)位，提示系統(tǒng)存在短路到電源的故障。

通過這種方式，系統(tǒng)可以在不啟用驅(qū)動(dòng)的情況下，快速判斷電機(jī)的短路故障類型。

二、電機(jī)開路檢測(cè)

除了短路檢測(cè)，英飛凌的驅(qū)動(dòng)技術(shù)還支持電機(jī)開路的檢測(cè)。這種檢測(cè)方法同樣依賴于診斷電流源的配置和比較器的閾值設(shè)置。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

a. 電路配置

要檢測(cè)HB1的開路情況，需啟用HB2和HB3的上拉診斷電流源（IPudiag）。此時(shí)，比較器的閾值設(shè)置為最大值。

b. 正常狀態(tài)檢測(cè)

如果HB1未發(fā)生開路故障，由于上拉和下拉診斷電流源的比例關(guān)系，SH點(diǎn)的電壓會(huì)穩(wěn)定在約1.5V。

c. 開路狀態(tài)檢測(cè)

如果HB1發(fā)生開路，SH點(diǎn)的電壓會(huì)由于上拉診斷電流源的作用，略高于母線電壓。這種電壓變化會(huì)觸發(fā)HS DS檢測(cè)比較器，置位相關(guān)狀態(tài)位以指示開路故障。

然后通過依次啟用HB2和HB3的上拉診斷電流源，系統(tǒng)可以按照相同的流程檢測(cè)HB2和HB3的開路情況。

注意事項(xiàng): 在啟用下拉診斷電流源時(shí)，需等待一段時(shí)間（時(shí)間與電機(jī)感量有關(guān)），以確保電平達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后再進(jìn)行診斷。官方提供了樣例函數(shù)供用戶參考。

TLE9893通過精巧的電路設(shè)計(jì)和診斷邏輯，實(shí)現(xiàn)了在不啟用驅(qū)動(dòng)的情況下檢測(cè)電機(jī)短路和開路的功能。這種方法不僅提高了系統(tǒng)的安全性，還節(jié)省了能耗，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性提供了有力保障。

Vds保護(hù)功能

在驅(qū)動(dòng)工作的時(shí)候，為了保護(hù)MOS不會(huì)因?yàn)槎搪罚蓖ǖ裙收蠠龤?。?qū)動(dòng)還帶有對(duì)開關(guān)狀態(tài)的 MOS DS 電壓檢測(cè) 以及比較器保護(hù)功能。

如下圖所示，VDS的比較器閾值可設(shè)置從0.125V一直到1.75V。分辨率在0.25V一檔。比較器的相應(yīng)時(shí)間較快加上相應(yīng)的濾波，us級(jí)別就可以觸發(fā)硬件級(jí)別的橋驅(qū)關(guān)斷。

同時(shí)在 VDH引腳，SH引腳，都芯片內(nèi)部連接到了 AD接口?？梢暂o助作為診斷。

上面所說的 VDS檢測(cè)主要用于短路保護(hù)。對(duì)于基于詳細(xì)電流閾值的保護(hù)，用戶可以使用TLE9893運(yùn)放模塊集成的比較器，該模塊可以設(shè)定各種閾值，也會(huì)在 us級(jí)別相應(yīng)。 同時(shí)CSA的輸出內(nèi)部連接到AD，做輔助檢測(cè)。

兩級(jí)電荷泵

TLE9893內(nèi)部集成兩級(jí)charge pump。可以配置成兩級(jí)工作，也可以配置成自動(dòng)根據(jù)VSD的ADC的比較輸出來切換，閾值可以自己設(shè)置。這樣在電壓下降的情況下，也可以切換成一級(jí)charge pump 來節(jié)約電流消耗。內(nèi)部charge pump 時(shí)鐘也是自帶硬件抖頻功能。

TLE9893帶有 VCP和 VSD的差值比較器，在電壓過低的時(shí)候可以直接置位關(guān)掉預(yù)驅(qū)，降低系統(tǒng)不確定性。VCP和 VSD也會(huì)同時(shí)連接到 ADC來輔助判斷

寫在最后

除了上文提到的各種先進(jìn)的功能外，TLE989x的預(yù)驅(qū)模塊還集成了以下豐富的功能：

低功耗模式下的反向電動(dòng)勢(shì)過壓?jiǎn)拘压δ堋拘岩院螅脩艨梢酝ㄟ^軟件進(jìn)行制動(dòng)，從而減小反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子器件帶來的不利影響。

過溫保護(hù)，過壓保護(hù)等基本功能。

英飛凌先進(jìn)的預(yù)驅(qū)技術(shù)，不僅能為用戶設(shè)計(jì)帶來便利，而且能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。