AN163 -保护功能使用说明

介绍

MP653x系列门驱动器主要针对电机驱动应用。188比分直播吧它们集成了电源和控制功能，帮助实现电机驱动。它们的功能包括保护电路，以帮助防止异常情况下的故障，如电流过大，短路和组件故障。

许多这些保护电路需要使用外部组件进行配置。如果外部电路没有正确配置，保护电路可能在不是真正故障条件的条件下工作。了解保护机制和如何设置外部组件是必要的，以实现正确运行的电机驱动器。在所有MP653x系列部件中，许多保护功能是相同的。60V和100V驱动之间的其他部分略有不同。在某些情况下，部分的行为在一个部分与其他部分不同。本文档将涵盖这个家族中的所有部分，并在适用的地方说明各部分之间的差异。

另请参阅申请须知AN111关于MP653x预驱动器设计的讨论。

保护功能

以下是MP653x预驱动器系列中集成的各种保护功能的摘要:

过温保护(OTP)

适用部分:全部

如果温度超过数据表中列出的超温阈值，集成在设备中的温度传感器将导致操作停止。当这种情况发生时，所有输出将被设置为低，禁用电机。

一些部件在OTP后自动关闭，其他部件自动重新启动。指表1详情如下:(1)

电源电压欠压锁定(VIN UVLO)

适用部分:全部

主电源电压输入(VIN)上的电压由比较电路监测。如果电源电压低于数据表中列出的VIN欠压阈值，则设备被禁用，所有输出都被低驱动，使电机禁用。VIN UVLO作为IC逻辑的全局复位。当电压上升到阈值以上时，设备被启用。请注意，在电压上升到阈值以上之后，设备将驱动输出之前需要一段时间-通常约为1mS。

门驱动电压欠压锁定(VREG UVLO)

适用部分:全部

栅极驱动电源(VREG)的输出电压由比较电路监测。如果电压低于数据表中列出的VREG欠压阈值，则设备被禁用，所有输出都被低驱动，使电机禁用。

一些部件在VREG UVLO后关闭，其他部件在VREG上升时自动重新启动。详情请参阅下面的表1。

高侧栅驱动电压故障(VBST UVLO)

适用零件:MP6537, MP6538, MP6539

电路监测每个BSTx引脚上的电压，这是每个高侧MOSFET的栅极驱动电压。每次输出(SHx)驱动低时，连接到BSTx引脚的电容器被充电到VREG。它也由内部电荷泵提供的非常微弱的电流充电，这允许输出在很长一段时间内保持高电平。

当VBST UVLO发生时，高侧门将被关闭，直到下一次被命令打开。VBST UVLO不会导致nFAULT被断言，

短路保护(SCP或VDS传感)

适用部分:全部

一个电路监测压降通过一个MOSFET打开。如果MOSFET没有完全打开，通过它的低电压降证明，SCP保护被激活。

通常，检测到SCP故障时的阈值由施加到OCREF引脚的电压设置。100V部分不使用OCREF电压来感知高侧MOSFET -如果输出驱动高，它不超过约4.5V的固定阈值，它们将发出VDS故障信号。

一些部件在SCP之后关闭，其他部件自动重新启动。详情请参阅下面的表1。

过流保护(OCP或电机电流传感)

适用部分:全部

单个共享低侧并联电阻可用于测量电机总电流。这个并联电阻连接到LSS引脚。如果分流器上的电压降超过某个阈值，就会识别出OCP事件。

60V部件在LSS引脚处有一个500mV的固定阈值。100V部件在CSO引脚处有3.5V的固定阈值;CSO引脚由LSS引脚的增益为20的放大器驱动，因此LSS处的等效电压为175mV。

一些部件在OCP后关闭，其他部件自动重新启动。详情请参阅下面的表1。

功能	Mp6528, mp6530, mp6534, mp6535	MP6532	MPQ6532	MPQ6528, MPQ6530	MP6531A, MPQ6531	Mp6537, mp6538, mp6539
OTP	插销(1)	插销(1)	冷却时重试	冷却时重试	冷却时重试	冷却时重试
SCP	插销(1)	插销(1)	插销(1)	插销(1)	插销(1)	高侧:关闭锁扣(1)低侧:在可调时间后重试
(OCP	插销(1)	在固定时间后重试	在固定时间后重试	插销(1)	插销(1)	在可调时间后重试
为VREG UVLO	插销(1)	插销(1)	插销(1)	> UVLO时重试	重试并启动BST充电	重试并启动BST充电

表1:保护行为

(1)通过移除/重新应用VIN或断言/去断言nSLEEP来重置锁存关闭

Mosfet开关行为

需要了解由MP653x预驱动器驱动的mosfet的开关行为，以防止无意中触发保护电路。特别是在某些条件下，VDS传感很容易被触发。

MOSFET栅极电容

当高侧MOSFET打开时，栅极主要由存储在自举电容器中的电荷驱动。如果栅极电容非常高，并且没有足够的电荷存储在自举电容中，高侧MOSFET可能无法完全打开。这可能会导致VDS故障。通常，在BST引脚上使用更大的电容可以改善这种情况。

此外，在高PWM频率下，驱动栅极所需的电流增加。在某些情况下，可能会导致VREG UVLO故障。当使用大型mosfet和高PWM频率时，建议在VREG引脚上使用更大的电容来帮助防止这些故障。

栅极驱动电阻

通常，电阻被插入到MP653x栅极驱动输出和MOSFET栅极之间。这些电阻限制了MOSFET开关的速度。

死时间

为了防止高侧和低侧mosfet同时导电，这将导致从VIN电源直接到地面的路径(并且非常大的电流流过mosfet)，必须在一个MPOSFET关闭和另一个打开之间插入一段时间。这就是所谓的死时间。MP653x系列驱动器在切换过程中都会产生死区时间，无论输入信号定时如何。死区时间由连接到DT引脚的外部电阻的值可编程。

消隐(或消隐)时间

由于MOSFET开关需要一些时间，在MOFET打开后，有必要等待一段时间，然后检查是否有OCP保护需要操作的问题。这个时间叫做落料时间。消隐时间从死区结束到VDS传感电路看到MOSFET上的电压为止。

在60V部件中，SCP检测的消隐时间为3μS;100V部分为2.73μS。在此时间到期之前，MOSFET必须完全打开，否则SCP保护将被触发!

配置外部组件

以下是可能影响MP653x预驱动器保护特性的外部组件配置建议。

MOSFET栅极电阻

通常，MP653x和MOSFET门之间的电阻(或电阻/二极管网络)由输出所需的上升/下降时间决定。更快是首选，以尽量减少开关损耗;较慢是首选产生较少的EMI。

无论如何，如上所述，上升/下降时间必须小于落料时间。如果MOSFET在消光时间到期时还没有完全打开，将会触发SCP !

功率MOSFET的栅极可以看作栅极和源端之间的非线性电容。即使栅极不导直流电，也需要电流来对栅极电容进行充放电以打开和关闭MOSFET。提供给栅极的电流量决定了完全打开MOSFET所需要的时间。类似地，当电流被拉出栅极时，该电流量设置MOSFET关断时间。

为了理解驱动栅极需要什么，我们需要知道MOSFET的开关速度有多快。在低开关损耗(需要快速上升和下降时间)和低EMI(需要缓慢上升和下降时间)之间进行了设计权衡。此外，PWM频率和所需的最小和最大占空比对开关所需的速度提出了时间限制。例如，对于20kHz PWM频率，1%的占空比需要产生500ns长的脉冲。这需要几百纳秒或更短的上升和下降时间。

确定所需的上升/下降时间后，计算所需的栅极驱动电流。这可以估计为Q_G/ t，其中Q_G登机口总费用是多少t是期望的上升/下降时间。

请注意，这是在整个上升/下降时间内需要驱动的电流量-实际上，栅极驱动电流通常在这段时间内有所变化，因为大多数栅极驱动器不是恒流驱动器。

如果输入恒定电流到栅极，栅极电压不是线性斜率-它在MOSFET开关期间达到一个平台(见图1)．这被称为“米勒高原”，是由门漏电容引起的。当漏极跃迁时，这个电容带电流充电，所以栅极源电容的充电变慢。

为栅极充电的电流越低，完成过渡所需的时间就越长。

图2如果使用12V恒压门驱动12Ω系列电阻，则显示波形。平台仍然存在，栅极达到12V需要更长的时间，但在漏极处的开关时间几乎相同。你可以通过增加一个二极管得到独立的上升和下降时间(见图3)．

这样做通常是为了确保半桥结构中的一个场效应晶体管在相反的场效应晶体管打开之前完全关闭，这保证了死时间。图4显示低侧门(GLA)下降非常快，因为它是通过二极管放电，但高侧门(GHA)充电缓慢，由于电阻。结果是在输出(SHA)处有一个缓慢的上升时间，由高侧MOSFET导通控制。

由于栅极具有非线性电容，驱动器通常不是真正的电压或电流源(通常是在线性区域工作的FET)，因此很难精确计算实现特定上升或下降时间所需的电阻。通常最好是通过实验或模拟得出正确的值。首先假设栅极驱动电流等于栅极驱动电压(通常是12V)除以串联电阻，然后从那里开始工作。在进行计算时，一定要包括栅极驱动器的输出电阻。

MP653x预驱动器在门驱动器输出上有内部下拉电阻。不需要将外部电阻从mosfet的漏极放置到源极。把栅极放在源电阻的高侧mosfet可以通过放电BST电容器导致OCP故障。这将在下面进一步讨论。

失效时间电阻

MP653x预驱动器具有可编程死区功能。这在半桥中的一个MOSFET关闭和另一个打开之间插入了一个时间延迟。

MP653x器件的死区时间是通过一个接地电阻编程的。死区时间的设定范围很广，60V零件的死区时间从30nS到6μS, 100V零件的死区时间从77nS到4.6μS。

电阻值的计算方法如下:

$ $ 60 v部分:t_{死}识别(nS) = 3.7 * R (kΩ)$ $ $ $ 100 v部分:t_{死}识别(μs) = 0.044 * R (kΩ)+ 0.1美元美元

请注意，SCP的空白时间直到死时间结束才开始。

自举(BST)电容器

引导电容器提供了打开HS MOSFET所需的大峰值电流。当输出驱动低时，这些电容器被充电，然后自举电容器中的电荷用于在输出驱动高时打开HS MOSFET。注意，内部电荷泵保持自举电容器改变时，输出保持高的一段时间。

引导电容器需要足够大，以使高侧MOSFET完全打开。否则，高侧MOSFET的VDS会增加，并可能触发SCP。

引导电容器的选择取决于MOSFET的总栅电荷。当HS MOSFET打开时，存储在自举电容器中的电荷被转移到HS MOSFET栅极。作为一个简化的近似，最小自举电容的估计如下:

$ c_ {boot} > 8* qg $$

其中QG是nC中MOSFET的总栅极电荷，C_引导是nF。

引导电容器不应超过1μF，否则可能导致启动时操作不当。对于大多数应用，自188比分直播吧举电容器应该在0.1μF到1μF之间，X5R或X7R陶瓷，额定电压最低为25V。

旁路电容器

为低侧MOSFET栅极和自举电容器充电所需的峰值电流主要来自VREG旁路电容器。VREG电源只能驱动有限的直流电流。使用过小的电容会导致栅极驱动电压过低，从而触发SCP保护。

推荐使用最低10μF、X5R或X7R陶瓷电容器，最低额定电压为25V。较大的电容器可用于非常大的mosfet和/或非常高的PWM频率。

过流保护(LSS感应电阻)

过流保护使用连接到LSS引脚的单个共享低侧并联电阻感知电机电流。该电阻上的电压降，如果超过OCP阈值(如上所述)，将触发OCP。

注意，OCP期间的行为因部分而异。详见表1。外部感应电阻的尺寸在最大预期电机电流下提供小于500mV (60V部件)或175mV (100V部件)的降。例如，如果使用50mΩ电阻，10A的电流将导致500mV的下降，并激活60V部分的过流保护。

裕度需要添加，以使OCP保护不会在高于正常电机电流时触发。必须考虑电机启动时的失速电流，以及换向产生的电流脉冲。请注意，经常会发生一些错向，有时在一个旋转方向上比另一个方向上更多，这导致在每个换向点上的电流峰值。

如果不需要该功能，则直接将LSS接地。

OCREF电压(SCP阈值)

SCP检测电平由施加到OCREF引脚的电压编程。该电压设置触发OCP的阈值。如果经过消隐时间后，MOSFET的VDS高于OPCREF，则会触发OCP。

至少，OCREF电压必须高于所有mosfet在最高预期负载电流下的预期压降。mosfet的rds(on)变化很大，特别是在高温下。此外，在大电流下，PCB走线电阻可能接近MOSFET。因此，通常OCREF必须设置得比初始计算可能预测的高得多。通常，需要将OPCREF设置为计算最大值的2倍。

同样，还必须考虑换向期间的峰值电流，以防止不必要的OCP保护激活。

CSO引脚电阻和电容器(仅100V部件)

当CSO引脚超过3.5V时，检测到OCP事件，所有输出fet被关闭。nFAULT引脚将被低电平激活。

一旦电流通过低侧fet和感应电阻停止，CSO引脚上的电压不再被驱动，它开始以由外部电容和从CSO连接到地的电阻决定的速率下降。当电压下降到2.9V以下时，输出fet重新使能，nFAULT引脚不活动。

由此产生的关闭时间由外部电容和与外部电阻并联的内部反馈电阻(如果使用)的值设置。CSO达到3.5V时产生的关断时间可近似为下式

$$t_{OFF} (μS) = 0.2*R(kΩ)*C(nF)$$

SCP后产生的关闭时间(当VDS超过OCREF时)更长，因为CSO被拉到6V，必须衰减到2.9V才能重新启用输出。这个关闭时间可以用下面的公式来近似表示

$$t_{OFF} (μS) = 0.6*R(kΩ)*C(nF)$$

其中C是CSO到地的电容，R是CSO到地的总电阻，由内部反馈电阻(~450kΩ)与任何外部对地电阻并联组成。

引导PRE-CHARGE

虽然不是一种保护功能，但在某些情况下应注意对自举(BST)电容器进行预充电。当BST帽中电荷不足时启用高侧MOSFET可能会导致SCP故障，因为电荷不足不能完全增强高侧MOSFET。BST电容器的预充电是通过短时间打开低侧MOSFET来完成的。

这可能是有问题的，特别是在120度换向时，其中一个相位在一段时间内处于高阻抗状态。如果有漏电流，BST电容器可能会在这段时间内放电。同样重要的是，不要在高侧mosfet上放置任何门源电阻，因为这将导致BST电容器放电。

一些MP653x部件在某些条件下执行自动引导充电序列。自动顺序包括在很短的时间内依次打开每个低侧MOSFET (60V部件1.8μS, 100V部件4.6 μS)。自动引导充电是根据下面的表2。

Mp6528, mp6530, mp6532, mp6534, mp6535	Mp6531a, mpq6531, mp6537, mp6538, mp6539
从高z状态退出时自动预换(1)	从VREG UVLO恢复后自动预充电(2)

表2:Bootstrap预充电

(1)在120度换向时，这些部件在离开高阻抗换向相位时会自动进行升压预充电

(2)在120度整流过程中，建议控制器在退出高阻抗整流相时进行引导盖充电，或先将相位驱动低，再将相位驱动高

虽然内部电荷泵会给自举电容器充电，但由于内部电荷泵只能驱动非常小的电流，所以在VREG UVLO后需要一段时间才能给电容器充电。如果高侧MOSFET在BST盖充电之前打开，可能会由于BST盖充电不足而触发OCP故障。这可以通过在打开高侧FET之前驱动低输出(低侧MOSFET打开)来防止。输出上的被动下拉电阻(SHx引脚)也将有助于确保BST电容器充电。

禁用保护功能

如果系统不需要MP653x SCP和OCP保护功能，可以通过将OCREF引脚通过100k电阻连接到VREG来禁用它们。VIN UVLO和VREG UVLO功能将继续运行。

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