SiLM94112在大電容負(fù)載應(yīng)用中的啟動(dòng)對(duì)策

本文主要闡述了多路半橋驅(qū)動(dòng)SiLM94112芯片應(yīng)用中，過(guò)流保護(hù)功能及大電容負(fù)載啟動(dòng)的應(yīng)對(duì)策略。

SiLM94112概述及過(guò)流檢測(cè)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(chē)應(yīng)用中的各種電機(jī)控制。通過(guò) 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(chē)等多種控制模式。PWM 模式下可配置 80Hz，100Hz，200Hz和 2kHz 四種頻率。SiLM94112 集成了多重保護(hù)診斷功能，包括短路、過(guò)流、開(kāi)路、電源故障及過(guò)溫保護(hù)等。保護(hù)和診斷功能對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)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。在正常運(yùn)行過(guò)程中，如果負(fù)載出現(xiàn)短路或者過(guò)流的情況，芯片的過(guò)流保護(hù)會(huì)發(fā)生作用，對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。但是對(duì)于帶大容性負(fù)載啟動(dòng)的一些應(yīng)用中，在啟動(dòng)階段也會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖電流，如果此時(shí)的沖擊電流維持時(shí)間大于過(guò)流保護(hù)濾波時(shí)間，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)失敗，本篇文檔主要闡述大電容負(fù)載下啟動(dòng)應(yīng)對(duì)策略。

SiLM94112過(guò)流保護(hù)原理

SiLM94112 過(guò)流保護(hù)如圖 1 和圖 2 所示。輸出電流超過(guò)過(guò)流檢測(cè)閾值 ISD，如果電流繼續(xù)增大會(huì)被內(nèi)部 ILIM 限住，若持續(xù)時(shí)間大于過(guò)流關(guān)斷濾波時(shí)間 tdSD 時(shí)，會(huì)觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，相應(yīng)寄存器報(bào)錯(cuò)，輸出關(guān)閉變?yōu)楦咦锠?，同時(shí)輸出會(huì)被鎖住。

圖 1. SiLM94112 高邊過(guò)流

圖 2. SiLM94112 低邊過(guò)流

SiLM94112 在導(dǎo)通內(nèi)部集成 MOSFET 時(shí)，通過(guò)檢測(cè)內(nèi)部 MOSFET 兩端電壓差大小，將得到的電壓差值與基準(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)載是否過(guò)流。若電壓差值大于基準(zhǔn)值，且持續(xù)時(shí)間大于濾波時(shí)間，芯片上報(bào)過(guò)流故障。

下面簡(jiǎn)單介紹過(guò)流檢測(cè)內(nèi)部工作原理。如圖 3 所示，OUT 為輸出端電壓，VS 為工作電源，Vref1，Vref2 為內(nèi)部參考電位，OC_L 為下管發(fā)生過(guò)流產(chǎn)生的過(guò)流信號(hào)，OC_H 為上管發(fā)生過(guò)流產(chǎn)生的過(guò)流信號(hào) ，EN_L、EN_H 分別為內(nèi)部比較器的使能端。檢測(cè)原理如下：若打開(kāi)上管，EN_H 為高，使能高邊 OC 比較器，檢測(cè)比較 Vref1 與 VS-OUT 的大小，若負(fù)載電流很大，OUT 端電壓過(guò)低，OC_H 將變高，產(chǎn)生過(guò)流信號(hào) OC。同理，若打開(kāi)下管，EN_L 為高，使能低邊 OC 比較器，檢測(cè)比較 Vref2 與 OUT 的大小，若 OUT 端電壓過(guò)高，OC_L 也會(huì)變高，也會(huì)產(chǎn)生過(guò)流信號(hào) OC。

圖 3. 過(guò)流檢測(cè)示意圖

大電容負(fù)載啟動(dòng)應(yīng)對(duì)策略

根據(jù)電容基本公式：

電容充電電流大小與負(fù)載電容，電容端電壓變化的速率相關(guān)。在系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)程中，如果負(fù)載電容 CLOAD過(guò)大或者輸出電壓變化速率dVOUT/dt 過(guò)快，將產(chǎn)生較大的電容充電電流I，導(dǎo)致芯片內(nèi)部檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)，如果充電時(shí)間持續(xù)時(shí)間大于過(guò)流檢測(cè)濾波時(shí)間，那么就會(huì)出現(xiàn)過(guò)流告警，啟動(dòng)失敗。根據(jù)上述原理，下面主要闡述容性負(fù)載啟動(dòng)的應(yīng)對(duì)措施。

第一種方案，直接直流輸出啟動(dòng)，如圖 4所示，對(duì)于小電容負(fù)載可以采用此種方法。但是隨著輸出電容變大，可能會(huì)存在沖擊電流過(guò)大而導(dǎo)致過(guò)流，系統(tǒng)無(wú)法正常啟動(dòng)。SiLM94112 可以通過(guò)寄存器OLDN_DT_SR_CTRL 中的 SR_CTRL 來(lái)配置合適的輸出擺率從而避免啟動(dòng)階段的過(guò)流現(xiàn)象：設(shè)置的擺率越小，電壓爬升的速度越慢，電容充電電流越小，就越不容易產(chǎn)生過(guò)流現(xiàn)象。該方法簡(jiǎn)單，但是也具有局限性。當(dāng)負(fù)載電容容量進(jìn)一步加大時(shí)還是存在過(guò)流的可能，需要其他方法配合來(lái)一起解決。

圖 4. 電容負(fù)載直接啟動(dòng)示意圖

第二種方案，采用 PWM 方式進(jìn)行啟動(dòng)，如圖 5 所示。與直流直接啟動(dòng)方式相比，該方案可以有效控制輸出高電平時(shí)間，也即電容充電的有效時(shí)間。PWM 工作情況下的導(dǎo)通時(shí)間越短，產(chǎn)生過(guò)流的機(jī)率越低。還可以通過(guò)控制 PWM 的有效高電平，形成輸出不同直流平臺(tái)，縮短最終電壓平臺(tái)差異，減小電流沖擊。下面以SiLM94112 使用 PWM1 通道在輸出 OUT4 產(chǎn)生頻率為2000Hz，占空比 2% PWM波為例，介紹具體的大電容負(fù)載啟動(dòng)的PWM配置步驟：

第一步：通過(guò)寄存器 HB_MODE_CTRL 為半橋通道配置合適的PWM 通道，HB_MODE_1_CTRL =0x40。

第二步：通過(guò)寄存器 PWM_DC_CTRL 為半橋通道設(shè)置合適的占空比，PWM1_DC_CTRL=0x05。

第三步：通過(guò)寄存器 PWM_CH_FREQ_CTRL 或者OVP2_2k_CTRL 配置合適的工作頻率，OVP2_2k_CTRL=0x10。

第四步：通過(guò)寄存器 FW_CTRL 配置為 Passive free-wheeling 工作模式，F(xiàn)W_CTRL1=0x20。

第五步：通過(guò)寄存器 HB_ACT_CTRL 配置 HSn 或 LSn，激活相應(yīng)通道，HB_ACT_1_CTRL=0x80。

圖 5.電容負(fù)載 PWM 方式啟動(dòng)示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)上述應(yīng)對(duì)策略，搭建試驗(yàn)電路如圖 6 所示。下面分別測(cè)試了在不同上升斜率，不同電容負(fù)載下直接啟動(dòng)情況以及在 PWM 運(yùn)行，不同 PWM 頻率相同占空比和相同 PWM 頻率不同占空比下的啟動(dòng)表現(xiàn)。

圖 6. 電容負(fù)載啟動(dòng)測(cè)試圖

1

不同上升斜率下電容負(fù)載直接輸出啟動(dòng)波形

當(dāng) VS=16V ，RLOAD=100?, CLOAD=3.3uF,在不同上升斜率下，啟動(dòng)電流波形如圖 7 和圖 8 所示。可以看到，上升斜率SR 為 0.2V/us 的時(shí)候，電容充電電流理論值為 0.66A，可以正常啟動(dòng)。當(dāng)上升斜率 SR 增大為 3V/us 的時(shí)候，電容充電電流理論值為 9.9A，觸發(fā)了過(guò)流，無(wú)法正常啟動(dòng)。

圖 7. SiLM94112 電容負(fù)載啟動(dòng)波形，

Slew Rate=0.2V/us（001）

CH1: VOUT4; CH2: IOUT4

圖 8. SiLM94112 電容負(fù)載啟動(dòng)波形，

Slew Rate=3V/us（111）

CH1: VOUT4; CH2: IOUT4

2

不同電容負(fù)載下直接直流輸出的啟動(dòng)波形

當(dāng) VS=16V，RLOAD=42?, 上升斜率 SR=0.1V/us(001)，在不同電容負(fù)載下的啟動(dòng)電流波形如圖 9和圖 10 所示。可以看出，電容負(fù)載較小為 4.7uF 時(shí), 電容充電電流理論值為 0.47A，外加負(fù)載電阻0.38A，總電流達(dá) 0.85A，可以直接啟動(dòng)。當(dāng)電容負(fù)載增大至 10uF時(shí)，電容充電電流理論值為 1A，外加負(fù)載電阻 0.38A，總電流達(dá) 1.38A，觸發(fā)了過(guò)流，無(wú)法正常啟動(dòng)。

圖 9. SiLM94112 電容負(fù)載啟動(dòng)波形，

負(fù)載電容 4.7uF

CH1: VOUT4; CH3: IOUT4

圖 10. SiLM94112 電容負(fù)載啟動(dòng)波形，

負(fù)載電容 10uF

CH1: VOUT4; CH3: IOUT4

3

PWM方式啟動(dòng)，在相同占空比不同頻率下電容負(fù)載啟動(dòng)波形

當(dāng) VS=16V，RLOAD=100?, CLOAD=3.3uF, 上升斜率 SR =0.5V/us（010），電容充電電流理論值為 1.65A，達(dá)到了過(guò)流值，Duty=4%, 在不同 PWM 頻率下，啟動(dòng)電流波形如圖 11 和圖 12 所示?？梢钥吹?，PWM 為 2kHz 的時(shí)候，過(guò)流時(shí)間為0.04*0.5ms=20us，與芯片內(nèi)部濾波比較略小，可以正常啟動(dòng)。當(dāng)頻率降低至 80Hz 時(shí)，電容充電電流不變，但過(guò)流時(shí)間為0.04*12.5ms=500us，比芯片內(nèi)部濾波比較大，觸發(fā)了過(guò)流，無(wú)法正常啟動(dòng)。

圖 11. SiLM94112 電容負(fù)載啟動(dòng)波形，

PWM=2kHz

CH1: VOUT4; CH2: IOUT4

圖 12. SiLM94112 電容負(fù)載啟動(dòng)波形，

PWM=80Hz

CH1: VOUT4; CH3: IOUT4

4

不同上升斜率下電容負(fù)載直接輸出啟動(dòng)波形

當(dāng) VS=16V，RLOAD=100?, CLOAD=3.3uF, 上升斜率 SR =0.5V/us（010），電容充電電流理論值為 1.65A，達(dá)到了過(guò)流值，但是可以采用 PWM 啟動(dòng)的方式，通過(guò)合理的配置使其成功啟動(dòng)。

圖 13 和圖 14 展示了 PWM=2kHz 時(shí)在不同占空比下啟動(dòng)的波形。在占空比為 4% 的時(shí)候，過(guò)流時(shí)間為 0.04*0.5ms=20us，比芯片內(nèi)部濾波時(shí)間小，可以正常啟動(dòng)。當(dāng)占空比增大至 10% 時(shí)，過(guò)流時(shí)間為0.1*0.5ms=50us，比芯片內(nèi)部濾波時(shí)間大，觸發(fā)了過(guò)流，無(wú)法正常啟動(dòng)。

圖 13. SiLM94112 電容負(fù)載啟動(dòng)波形，

Duty=4%

CH1: VOUT4; CH2: IOUT4

圖 14. SiLM94112 電容負(fù)載啟動(dòng)波形，

Duty=10%

CH1: VOUT4; CH3: IOUT4

以上試驗(yàn)說(shuō)明，同等電容負(fù)載條件下，降低輸出擺率有利于負(fù)載的啟動(dòng)。采用 PWM 啟動(dòng)時(shí)，同等頻率降低占空比或者相同占空比下提高頻率，可以增強(qiáng)大電容負(fù)載下的啟動(dòng)能力。在啟動(dòng)過(guò)程設(shè)置不同 duty 的 PWM，逐步抬高輸出電壓平均平臺(tái)，使得輸出電壓每個(gè)平臺(tái)跳變電壓變小，減少?zèng)_擊電流，最終達(dá)到高電平。

總結(jié)

綜上所述，SiLM94112 的過(guò)流保護(hù)功能，在正常的運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)生負(fù)載短路或過(guò)流，可保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。對(duì)于大電容負(fù)載啟動(dòng)，為避免誤觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，可設(shè)置寄存器降低輸出擺率，增大電容負(fù)載啟動(dòng)能力。采用 PWM 啟動(dòng)方式，控制 PWM 導(dǎo)通時(shí)間不超過(guò)過(guò)流保護(hù)時(shí)間；還可以通過(guò)控制 PWM 輸出不同的電壓平臺(tái)，分多次逼近最終輸出電壓幅值，減小電流沖擊，達(dá)到順利啟動(dòng)的目的。

審核編輯：劉清