正確理解DRV8705-Q1的VGS檢測機制

作者：Frank Qin

Abstract

隨著(zhù)汽車(chē)電子的快速發(fā)展，汽車(chē)上很多電機的驅動(dòng)方式已經(jīng)從傳統繼電器逐漸演變成為MOSFET驅動(dòng)的直流電機。同時(shí)，為了實(shí)現更高速和更精確的控制，現在對于MOSFET預驅的要求也逐漸變高。DRV8705-Q1作為一款高度集成式 H 橋柵極驅動(dòng)器不僅可以滿(mǎn)足現在越發(fā)精細的需求，也可以實(shí)現更多元的保護，確保系統運行過(guò)程中的各種風(fēng)險和錯誤都可以被識別到并實(shí)施保護。本文即具體討論DRV8705-Q1的VGS檢測機制以及一些經(jīng)驗分享。

Contents

1. 背景介紹............................................................1

2. 診斷和保護類(lèi)型..................................................2

2.1 VGS監控機制................................................... 2

2.2 VGS監控觸發(fā)點(diǎn)：tDRIVE 以及deglitch time.......3

2.3 VGS報錯和恢復機制......................................... 4

2.4 VGS監控和INx信號反轉的關(guān)系......................... 4

3..... Corner case舉例............................................ 5

4..... 總結................................................................ 6

參考文獻..................................................................6

Figures

Figure 1.       DRV8705內部設計示意框圖......................................... 2

Figure 2.       VGS錯誤檢測的觸發(fā)點(diǎn)和有效區間................................. 3

Figure 3.       VGS報錯和不報錯的兩種情況........................................ 4

Figure 4.       MOSFET閉合太緩導致的VGS誤報舉例....................... 6

1. 背景介紹

DRV8705-Q1 是一款高度集成式 H 橋柵極驅動(dòng)器，能夠驅動(dòng)高側和低側 N 溝道功率 MOSFET。它可使用集成式倍增電荷泵（針對高側）和線(xiàn)性穩壓器（針對低側）生成合適的柵極驅動(dòng)電壓。DRV8705-Q1 提供了一系列保護功能，可確保系統穩定運行。此類(lèi)功能包括適用于電源和電荷泵的欠壓和過(guò)壓監控、適用于外部 MOSFET 的 VDS 過(guò)流和 VGS 柵極故障監控、離線(xiàn)開(kāi)路負載和短路診斷，以及內部熱警告和熱關(guān)斷保護功能。DRV8705-Q1有兩種版本，H版本為硬線(xiàn)版本，可以簡(jiǎn)化控制并節省MCU引腳資源。S版本為SPI控制，可以詳細配置和診斷。

2. 診斷和保護類(lèi)型

DRV8705-Q1可以支持多種診斷和保護類(lèi)型，包括運行前的系統監控（offline diagnostic）和運行中的故障監控：對于電源和電荷泵的欠壓及過(guò)壓監控、針對外部MOSFET的VDS和VGS柵極故障監控、離線(xiàn)開(kāi)路負載和短路檢測，以及內部熱警告和熱關(guān)斷保護。其中為了保護外部MOSFET，VGS檢測和保護尤為重要：通過(guò)對外部MOSFET的VGS電壓的監控并控制MOSFET的開(kāi)關(guān)，可以有效防止MOSFET的柵極短路錯誤或柵極電壓卡在高位或低位的情況。

Figure 1. DRV8705內部設計示意框圖

2.1 VGS監控機制

VGS（柵源電壓）是柵極相對于源極的電壓，VTH（閾值電壓）是MOSFET導通或截止的閾值。柵源電壓（VGS）與閾值電壓（VTH）之間的關(guān)系直接決定了MOSFET的導通與截止狀態(tài)。要實(shí)現 MOSFET的開(kāi)關(guān)功能，需要確保 VGS 大于 VTH。在MOSFET導通時(shí)，柵源電壓（VGS）大于閾值電壓（VTH），溝道形成，電流可以通過(guò)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(wú)法通過(guò)。

因此DRV8705通過(guò)監控VGS和設定的閾值VGS_LVL做比較（如圖1），來(lái)判定MOSFET是否正確的導通或者截止。以此來(lái)防止輸出錯誤、柵極短路以及上下管直通的問(wèn)題。VGS_LVL可以通過(guò)寄存器9h bit1來(lái)修改，有1V和1.4V兩個(gè)選項。VGS fault會(huì )在VGSHx和VGSLx的上升沿和下降沿做檢測，當在tDRIVE時(shí)間內沒(méi)有檢測到VGS電壓穿過(guò)VGS_LVL時(shí)，就會(huì )報出VGS fault的錯誤，芯片停止輸出并提出警報（拉低nFAULT或WARN）。所以datasheet的Table 7-9將VGS觸發(fā)條件標注為VGS > VGS_LVL是不夠嚴謹的，應以datasheet章節7.3.8.8 Gate Driver Fault (VGS_GDF)中描述的“cross”為準，可以包含上升沿和下降沿的兩種情況。

2.2 VGS監控觸發(fā)點(diǎn)：tDRIVE 以及deglitch time

MOSFET正在打開(kāi)或者閉合的這個(gè)時(shí)間稱(chēng)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）。對于VGS錯誤檢測來(lái)說(shuō)，tDRIVE時(shí)間就是blanking time，這個(gè)時(shí)間內VGS相對于閾值的關(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)間區間，對于DRV8705-Q1來(lái)說(shuō)，無(wú)論是S還是H版本，deglitch time都固定在2us。也就是意味著(zhù)如果VGS在這2us的時(shí)間內依然沒(méi)有穿過(guò)閾值，芯片會(huì )在認為MOSFET沒(méi)有正確地打開(kāi)或者關(guān)閉，芯片會(huì )在2us結束后報錯。

Figure 2. VGS錯誤檢測的觸發(fā)點(diǎn)和有效區間

圖2中綠色部分比較直觀(guān)地展示了檢測VGS fault的場(chǎng)景，即VGSHx和VGSLx在上升沿和下降沿的tDRIVE（blanking time）結束后開(kāi)始檢測，deglitch time是緊接著(zhù)tDRIVE結束后立即開(kāi)始的。在綠色區域的時(shí)間內檢測到的VGS錯誤都會(huì )在2us的deglitch time結束后報錯。圖3舉例說(shuō)明了VGS報錯和不報錯的兩種情況。

Figure 3. VGS報錯和不報錯的兩種情況

請注意，對于DRV8705-Q1來(lái)說(shuō)，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(guò)寄存器調整的（2~96us）。因此，在利用DRV8705-Q1s設計時(shí)，請根據選用的MOSFET型號以及配置的IDRIVE電流確定合適的芯片tDRIVE時(shí)間。判斷標準為，需保證MOSFET打開(kāi)或閉合的時(shí)間不長(cháng)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報錯和恢復機制

當VGS fault被診斷出后，DRV8705S-Q1可以支持四種不同的報錯和恢復機制，可以根據實(shí)際系統需要進(jìn)行選擇：

1. Latched Fault Mode：發(fā)現錯誤后，驅動(dòng)停止使能，nFAULT pin、FAULT寄存器和VGS寄存器都會(huì )報錯。而且當故障移除后必須通過(guò)手動(dòng)清除CLR_FLT寄存器才可以重置并恢復驅動(dòng)。

2. Cycle by Cycle Mode：發(fā)現錯誤后，驅動(dòng)停止使能，nFAULT pin、FAULT寄存器和VGS寄存器都會(huì )報錯。當下一個(gè)PWM信號進(jìn)來(lái)后，驅動(dòng)即可自行恢復。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)現錯誤后芯片只會(huì )通過(guò)寄存器和WARN提示，并不會(huì )中止輸出。

4. Disabled Mode：發(fā)現錯誤后不會(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也都是固定不可調的。

2.4 VGS監控和INx信號反轉的關(guān)系

DRV8705-Q1支持PWM控制，因此MOSFET上下管的開(kāi)閉也是可以通過(guò)PWM不同的占空比來(lái)實(shí)現不同的開(kāi)閉頻率。因此代表PWM信號反轉的INx信號可以看作是MOSFET開(kāi)閉動(dòng)作的觸發(fā)。如圖2所示，每次INx信號反轉都出發(fā)了MOSFET上管或下管的閉合。

但是，當占空比很小時(shí)，INx的反轉信號很可能會(huì )落在tDRIVE或deglitch time這個(gè)區間中。INx落在不同的地方也會(huì )給VGS診斷帶來(lái)不同的影響，VGS診斷報錯也會(huì )做出不同的反饋。根據IN信號發(fā)生反轉的不同時(shí)間點(diǎn)，以DRV8705H-Q1（tDRIVE=4us）為例，三種情況分類(lèi)如下：

1. 當IN信號反轉發(fā)生在blanking/tDRIVE time(4us)內，此時(shí)是VGS的blanking time，錯誤不會(huì )被識別。而新周期的診斷會(huì )隨著(zhù)IN信號反轉同步開(kāi)始。

2. 當IN信號反轉發(fā)生在deglitch time(2us)內，此時(shí)如果有相應錯誤已經(jīng)達成觸發(fā)條件，nFAULT依然會(huì )在deglitch time后報錯。而新的診斷是隨著(zhù)IN信號反轉同步開(kāi)始。

3. 當IN信號反轉發(fā)生在blanking和deglitch time（4+2us）之后，隨著(zhù)IN反轉，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，測試芯片是H版本的DRV8705H-Q1。其中綠色是IN信號，藍色是VGSHx，粉色是VGSLx，黃色是nFAULT信號，X軸每格是2us。

從波形可以看出，黃線(xiàn)nFAULT拉低表示報錯，芯片判斷為VGS  fault，nFAULT拉低的時(shí)間正好大約是IN信號拉高的6us之后，也就是tDRIVE+deglitch的（4+2）us。從綠色的IN信號可以算出，此時(shí)的PWM（50Hz）占空比很高，是92%，MOS管上管下降很緩，沒(méi)能在IN高電平的時(shí)間內完成下降，粉線(xiàn)表示的下管沒(méi)有成功開(kāi)啟，可以看到此時(shí)藍線(xiàn)表示的上管已經(jīng)開(kāi)始第二次開(kāi)啟。從波形圖可以清楚看到，由于MOSFET下降太緩，導致沒(méi)能完成閉合。這個(gè)case巧合的地方在于，IN信號反轉的時(shí)間點(diǎn)正好和tDRIVE時(shí)間結束也就是deglitch time診斷開(kāi)始的時(shí)間點(diǎn)是重合的。對于VGS診斷來(lái)說(shuō)，此時(shí)就正式開(kāi)始監控，而恰好此時(shí)IN信號發(fā)生反轉，則VGS診斷直接記錄了此時(shí)的VGS電壓并在2us的規定動(dòng)作之后報錯拉低了nFAULT。

這個(gè)case雖然巧合，恰好因為PWM占空比的IN反轉信號踩在了blanking time結束的時(shí)間點(diǎn)，觸發(fā)了診斷報錯。但是真正引發(fā)錯誤的根本原因是MOSFET下降太緩，沒(méi)有在tDRIVE的時(shí)間內完成下降而觸發(fā)了錯誤。因此在配置tDRIVE時(shí)間以及MOSFET選型時(shí)，這是需要注意規避的要點(diǎn)。

Figure 4. MOSFET閉合太緩導致的VGS誤報舉例

4. 總結

DRV8705-Q1作為一款集成了多種診斷和保護功能的H橋柵極橋驅芯片，可以靈活應用在各類(lèi)需要馬達驅動(dòng)的汽車(chē)類(lèi)應用中。正確理解DRV8705-Q1的診斷和保護模式也可以更好地利用該芯片實(shí)現安全高效地應用。

參考文獻

1. DRV8705-Q1 數據手冊 (SLLSFB6A)

2. Smart Gate Drive (SLVAE70)

3. Understanding Smart Gate Drive (SLVA714D)