SiLM94112 開路保護(hù)的應(yīng)用應(yīng)用筆記分享

本文主要闡述了多路半橋驅(qū)動(dòng) SiLM94112 驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用中，輸出負(fù)載開路保護(hù)功能的應(yīng)用方法及其注意事項(xiàng)。

SiLM94112 概述及開路檢測介紹

SiLM94112 是一款帶有多種保護(hù)功能的十二路半橋驅(qū)動(dòng)芯片，廣泛應(yīng)用于汽車中的各種電機(jī)控制。通過 SPI 通信接口，SiLM94112 可以實(shí)現(xiàn)靈活的電機(jī)控制。該芯片具有正向、反向、剎車等多種控制模式。PWM 模式下可配置 80Hz，100Hz，200Hz和 2kHz 四種頻率。SiLM94112 主要特點(diǎn)在于其多重保護(hù)診斷功能，包括短路、過流、開路、電源故障及過溫保護(hù)等。保護(hù)和診斷功能對(duì)于任何系統(tǒng)來說都具有重要意義，診斷特性可以提高應(yīng)用系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。

開路保護(hù)是指檢測輸出端子是否與負(fù)載斷開，以滿足系統(tǒng)更安全，更強(qiáng)壯要求。分為被動(dòng)開路檢測和主動(dòng)開路檢測。被動(dòng)開路檢測主要用于離線開路檢測，避免在電路啟動(dòng)工作的時(shí)候由于負(fù)載開路導(dǎo)致異常。主動(dòng)開路檢測主要用于在線開路檢測。主動(dòng)開路檢測時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)開始工作，芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載電流大小。SiLM94112 的開路保護(hù)就是主動(dòng)開路檢測。

圖 1. SiLM94112典型應(yīng)用圖

SiLM94112 開路保護(hù)原理

SiLM94112 在導(dǎo)通內(nèi)部集成 MOSFET 時(shí)，通過檢測流經(jīng)該 MOSFET電流大小，將得到的電流值與基準(zhǔn)值在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)進(jìn)行比較，從而判斷外部輸出負(fù)載是否開路。若電流小于基準(zhǔn)值，且持續(xù)時(shí)間大于濾波時(shí)間，芯片上報(bào)負(fù)載開路故障。當(dāng)正向流過內(nèi)部 MOS 管的電流小于內(nèi)部基準(zhǔn)值時(shí)，上報(bào)開路故障；反向流過內(nèi)部 MOS 管的電流小于反向的內(nèi)部基準(zhǔn)值時(shí)，也會(huì)上報(bào)開路故障。

以芯片上管內(nèi)部電路檢測原理為例，簡單介紹內(nèi)部原理。如圖 2 所示，IREF_P為正向參考閾值電流，IREF_N為反向參考閾值電流，OLP 或 OLN為上報(bào)開路告警信號(hào)，若為高，芯片會(huì)上報(bào)開路 (OL) 告警。檢測原理如下：正向電流 ISOURCE流過 MOS 管的漏極和源極，OLP 開始檢測；反向電流 ISINK流過 MOS 管的漏極和源極，OLN 開始檢測。當(dāng)空載時(shí)，OLP 為高，OLN 也為高，上報(bào)開路告警；當(dāng)OUT端拉電流，但是 ISOURCE＜IREF_P時(shí)，OLP 為高，上報(bào)開路告警。如果 OUT 端是灌電流，但是 ISINK＜IREF_N時(shí)，OLN 為高，上報(bào)開路告警。

圖 2. 電流檢測示意圖

開路故障電流檢測，不但有電流大小幅值的檢測，還需要電流持續(xù)一定的時(shí)間，避免誤判。SiLM94112 的開路保護(hù)濾波時(shí)間典型值為 3ms。

應(yīng)用注意事項(xiàng)

在使用 SiLM94112 時(shí)，對(duì)于連續(xù)運(yùn)行模式，負(fù)載為阻性負(fù)載時(shí)，情況比較簡單。若負(fù)載電流小于開路檢測閾值，上報(bào)開路故障；若負(fù)載電流大于開路檢測閾值，則不上報(bào)。如圖 3 所示，HS1 導(dǎo)通，OUT1 輸出為高，流過 HS1 電流小于開路檢測閾值，上報(bào)開路故障。

圖 3. OUT1為高，輸出帶阻性負(fù)載，

電流小于開路檢測閾值，上報(bào)OL告警

當(dāng)負(fù)載為阻性，運(yùn)行模式為 PWM 時(shí)，情況略微復(fù)雜。在某些 PWM 情況下，即使負(fù)載電流小于電流檢測閾值，如果低電流持續(xù)時(shí)間小于濾波時(shí)間時(shí)，芯片也檢測不到開路，不會(huì)上報(bào)開路故障。如圖 4 所示，設(shè)置HS2 為主管，LS2 為續(xù)流管，PWM 設(shè)置為 200Hz，周期為 5ms，當(dāng)占空比為 50% 時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間 TON為 2.5ms，該時(shí)間小于開路保護(hù)的濾波時(shí)間 TOLD =3ms。在這種情況下，負(fù)載電流小于開路檢測閾值，但是由于不滿足濾波時(shí)間的要求，芯片檢測不到開路故障，不會(huì)上報(bào)開路故障告警。

圖 4. OUT2為PWM輸出，

負(fù)載電流小于開路檢測閾值，

但TON時(shí)間小于濾波時(shí)間，不上報(bào)OL告警

當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，情況將更為復(fù)雜。如圖 5 所示，當(dāng)負(fù)載為電機(jī)，其中 HS3 為常開，LS3 常閉，LS4 和 HS4 為 PWM 運(yùn)行。

圖 5.OUT4高邊續(xù)流，反向開路電流檢測

當(dāng) LS4 開通，電機(jī)蓄能；LS4 關(guān)斷時(shí)，電機(jī)電流通過 HS4 續(xù)流，各器件波形如圖 6 所示。對(duì)于上管 HS4 來說，由于在續(xù)流時(shí)，不論電機(jī)續(xù)流電流多大，流過續(xù)流管 HS4 都是反向電流。若芯片只具備正向開路檢測，HS4 都會(huì)被判斷為開路狀態(tài)，導(dǎo)致開路誤報(bào)警。

而 SiLM94112 具備反向開路檢測，可以根據(jù)實(shí)際電流方向來判斷。當(dāng)反向電流小于反向的開路檢測閾值，上報(bào)開路故障；當(dāng)反向電流大于反向的開路檢測閾值，不上報(bào)開路故障；從而正確的判斷負(fù)載不是處于開路狀態(tài)。如圖 6 所示電機(jī)運(yùn)行情況下，SiLM94112 具有反向開路保護(hù)，不會(huì)上報(bào)OL故障。

圖 6.高邊HS4續(xù)流時(shí)各器件波形，無開路故障告警

另外，對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的控制策略或特殊要求的控制場合，SiLM94112 可通過一個(gè)寄存器位 DIS_OL_NEG 來配置續(xù)流管的開路檢測功能。如果 DIS_OL_NEG=0，使能續(xù)流管的開路檢測，能夠正確監(jiān)測開路狀態(tài)。如果 DIS_OL_NEG=1，續(xù)流管的開路檢測不使能，續(xù)流管不會(huì)上報(bào)開路故障。

總 結(jié)

綜上所述，SiLM94112 的開路故障檢測為主動(dòng)開路檢測，可以判斷系統(tǒng)在工作時(shí)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，適用于直流運(yùn)行和 PWM 運(yùn)行情況下的檢測。需要注意的是 PWM 運(yùn)行狀態(tài)下，低負(fù)載電流需要同時(shí)滿足開路檢測閾值和濾波時(shí)間條件才能準(zhǔn)確上報(bào)開路故障。

審核編輯：劉清