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[参考译文] DRV2605L：反电动势外部保护电路的必要性

admin
Guru**** 2931100 points

Other Parts Discussed in Thread: DRV2605L, DRV2605, TSD05C

请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/motor-drivers-group/motor-drivers/f/motor-drivers-forum/1652210/drv2605l-necessity-of-external-protection-circuit-for-backemf

部件号： DRV2605L
主题中讨论的其他器件： DRV2605、 TSD05C

您好、

我想向您确认外部保护电路（例如 LRA 反电动势二极管）的必要性。
根据数据表、当用户执行“自动校准“时、器件可以了解反电动势的幅度并自动设置相关寄存器值。
然而、我不确定是否出现意外行为、例如 VDD 意外瞬时中断。
如果在意外发生 VDD 瞬时中断时此保护功能可以正常工作、我认为我们不需要实施外部保护电路、但是您能提供有关这一点的反馈吗？

此致、
 

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    尊敬的 Ryuichi：

    感谢您的联系。 虽然 DRV2605L 在正常运行期间会自动处理反电动势以进行闭环控制、但该内部功能需要为芯片供电（存在 VDD）。

    如果发生 VDD 瞬时中断、芯片将断电、无法再主动控制输出。 然而、LRA 由于其惯性将继续产生反电动势尖峰。 如果没有外部路径来耗散该能量、电压尖峰可能会超过 OUT 引脚的绝对最大额定值并损坏器件。

    因此、为确保系统可靠性、需要添加外部保护电路（如 LRA 上的反激式二极管）。

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    您好、

    感谢您的答复。

    为确保系统可靠性、必须添加外部保护电路（如跨 LRA 的反激式二极管）。

    =>如果你有任何保护电路的例子,你能把它分享给我吗?

    因为 EVM 似乎没有实现此电路。

    此致、

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    我们的专家将很快为您提供反馈。

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    尊敬的 Ryuichi：

    因为 EVM 专为在受控条件下进行短期实验室评估而设计。 大规模生产产品必须处理异常情况、例如突然的 VDD 功率损耗、硬 LRA 制动和 ESD 事件、这些异常情况会产生超过 IC 绝对最大额定值的反电动势尖峰。 一个包含 LRA（线性谐振执行器）、 驱动器 IC、双向 TVS 瞬态抑制二极管的电路示例、如下所示。

    关键 PCB 布局指南如下所示。

    1. 将保护元件放置在尽可能靠近 LRA 连接器而不是驱动器 IC 的位置。
    2. 保护元件和 LRA 引脚之间的所有布线应短于 5mm。
    3. 对高电流路径使用宽布线（≥0.3mm）。
    4. 使用实心接地平面可更大限度地减小寄生电感。
    5. 避免并行于 LRA 布线的高速数字信号。
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    TI__Guru**** 2931100 points
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    尊敬的彼得山和 圣豪山：

    感谢您的答复和建议。
    当我通知客户时、客户询问了以下问题。
    请提供您对他们的反馈意见吗？

    问题 1： “电压尖峰可能会超过 OUT 引脚的绝对最大额定值并损坏器件。“
    上面是 圣豪山的回复、但当我们查看数据表时、没有说明“OUT“引脚的绝对最大标准。
    请您告诉我您的意思是什么？
    问题 2： 客户担心在添加反激式二极管等外部保护电路时、智能环路架构会产生不良影响。
    从“智能回路架构“的角度来看、添加此外部保护电路是否有任何问题？
    问题 3 客户认为、配置内部 H 桥电路的每个 FET 都有体二极管。  
    一般而言、我同意他们的假设、但我的理解是、从二极管响应的角度来看、您建议添加外部保护二极管的背景是正确的？ （应添加类似 schottkey 二极管的高响应。）

    此致、

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    您好 Ryuichi-San、

    虽然 DRV2605L 数据表未单独列出独立的 OUT 引脚负瞬态电压规格、但限制来自两种内部器件规格：
    1. 内部 H 桥 MOSFET 的寄生 ESD 结构和固有体二极管定义了绝对最大瞬态负电压容差：禁止连续负电压<–0.3V、长时间超过–1V 的瞬态负尖峰将使栅极氧化物击穿并永久损坏 FET。
    2. 内部闭环反电动势吸收功能仅在有 VDD 电源且芯片正常供电时有效。 在 LRA 高惯性振动期间发生意外的瞬时 VDD 功率下降时、内部 H 桥失去有效控制能力、LRA 的残余机械运动会产生高负反电动势尖峰、使 OUT 引脚电压远低于–1V、超过内部 FET 瞬态耐受限值、并触发永久锁存或器件烧毁。 这是我们提到的没有外部钳位保护的 OUT 引脚的核心风险。

    对于剩余的问题、我将在下一个工作日回答。 感谢您的耐心。  

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    您好 Ryuichi-San、

    在 LRA 上添加推荐的反并联快速二极管或双向 TVS 不会对智能环路闭环运行产生负面影响、LRA 谐振频率跟踪和闭环反电动势采样不会降低性能。
    1. 在正常供电工作状态（VDD 有效）下：LRA 反电动势幅度较小 (<±1V)、钳位二极管的正向电压（器件为~0.7V、肖特基二极管为~0.3V）会阻止二极管导通、所有反电动势信号仍流入 DRV2605 的内部检测电路以进行智能环路算法计算；保护组件保持空闲状态、不干预信号路径。
    2. 仅在 VDD 异常断电情况下：LRA 较大的反电动势超过二极管正向电压、保护元件导通以漏极浪涌能量、浪涌能量恰好是预期的保护措施、并且不会影响正常的闭环控制。
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    TI__Guru**** 2931100 points
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    尊敬的 Peter-San：

    感谢您的答复。

    >在 LRA 上添加建议的反并联快速二极管或双向 TVS 不会对智能环路闭环运行产生负面影响。
    是否有任何建议的 TVS 二极管器件型号？

    此致、
    町田市

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    您好 Ryuichi-San、

    由于我们属于音频产品线、不直接生产 TVS 二极管、因此您可以使用“SMBJ6.0CA“等 TVS 二极管。 谢谢。

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    尊敬的 Peter-San：

    感谢您的答复。
    >由于我们属于音频产品线,不直接生产 TVS 二极管,  
    我假设您有一些关于此保护功能的客户或参考示例、我问过了。
    “你说什么?

    此致、

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    您好 Ryuichi-San、

    一些客户 在设计中使用 TVS 二极管、例如“SMBJ6.0CA“、因此我参考了此器件。 谢谢。

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    您好、

    感谢您的答复。
    让我确认以下内容。

    *您建议的器件的击穿电压为 6V、但我不确定“OUT“引脚的绝对最大电压。
    使用 BR=6V 的设备是否足够？ 如果可以接受更高的电压、请告知我。
    （我想选择 TI 的器件、但 TI TVS 的最小 BR 值似乎为 7V。）

    此致、  

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    我们的专家将很快为您提供反馈。

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    您好 Ryuichi-San、

    对于您提到的 SMBJ6.0CA、其击穿电压为 6V、浪涌条件下的典型钳位电压约为 10V（因浪涌电平而变化）。 客户通常使用这种方法来处理 5V 或 6V 输出轨。

    选择 TVS 二极管时、最重要的规则是浪涌期间 TVS 的最大钳位电压必须 低于 “OUT“引脚的绝对最大额定电压。

    关于 TI 的 7V TVS 二极管、只要钳位电压低于您引脚的绝对最大额定值、它们也是一个可行的选择。 由于 TI 的最小击穿电压为 7V、这将提供稍高的工作电压裕度、这通常是音频应用所接受的。

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    TI__Guru**** 2931100 points
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    尊敬的 Peter-San：

    感谢您的答复。

    根据 DRV2605L 的数据表、由于建议的最大 VDD 电压为 5.2V、绝对最大值为 5.5V、因此足够的击穿电压为 6V。
    （此外，理解为 7V 是可以接受的。 但正如您所说、该裕度比 6V 更高。）

    >2.选择 TVS 二极管时、最重要的规则是 TVS 在浪涌期间的最大钳位电压必须 低于 “OUT“引脚的绝对>最大额定电压。
    我也理解这一点很重要。 根据 SMBJ6.0CA 的数据表、钳位电压 10V（精确地说，它为 10.3V）在 IPPM (A)= 58.3A (10/1000us) 下定义。
    另一方面、我选择 TSD05C（这是双向乘积。）
    在 IPP (A)= 30A (8/20us) 下、其击穿电压为 7V、钳位电压为 11.5V。
    我不能说实际的峰值脉冲电流、但您认为从“OUT“引脚容差的角度来看、钳位电压为 11.5V 是多少？

    此致、

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    您好 Ryuichi-San、
    感谢您的详细跟进、让我清楚地细分电源轨选择和 OUT 引脚 TVS 问题的可行性：

    VDD 电源侧 TVS 选择

    您对 DRV2605L VDD 保护的理解完全正确。
    器件的建议最大 VDD 为 5.2V、绝对最大额定值为 5.5V。 6V 击穿 TVS 可以覆盖 5.2V 标称轨的尖峰裕度、而 7V 击穿 TVS 可在正常工作条件下提供更低的待机漏电流和更宽的安全裕度、这两者都是可接受的 VDD 保护。

    2、OUT 引脚钳位电压的关键判断 (10.3V 与 11.5V)

    核心决定因素是如何布线 TVS、结合 DRV2605L 的 OUT 引脚绝对最大规格：
    • 对于长期运行、DRV2605L 的 H 桥输出引脚的直流绝对最大电压为 VDD（最大 5.5V）±0.3V。 单个 OUT 引脚上连接到 GND 的高电压会在重复浪涌期间损坏内部 MOSFET 栅极氧化物。

    场景 A： 在两个 OUT 引脚之间（电机端子之间）连接双向 TVS (TSD05C)（TI 建议的拓扑）

    这是最佳触觉电机保护设计：TVS 仅钳制电机两端的电压差、而不是每个连接到 GND 的 OUT 引脚的绝对电压。
    11.5V 钳位限制是 OUTP 和 OUTN 之间的峰值差分电压、每个引脚到 GND 的电压仍将保持在芯片的 5.5V 绝对最大限制范围内。 在这种情况下、11.5V 钳位是完全可以接受的、它可以完全抑制电机开关操作产生的反电动势尖峰、而不会对 DRV2605L 造成风险。

    场景 B：TVS 从单个 OUT 引脚直接连接到 GND

    此处、10.3V (SMBJ6.0CA) 和 11.5V (TSD05C) 钳位都不适用。 两个值都远超过 OUT 引脚至 GND 的 5.5V 绝对最大直流额定值。 使用~10V+至 GND 的重复浪涌将导致栅极逐渐老化和永久芯片故障、在这种接线方法中、TSD05C 的 11.5V 钳位所带来的长期故障风险高于 SMBJ6.0CA。
    如果您必须使用每引脚以 GND 为基准的 TVS、则需要选择在实际浪涌条件下最大钳位电压低于 6V 的 TVS（例如 SMBJ5.0CA）、以将 OUT 引脚瞬态电压保持在芯片容差范围内。

    补充说明

    • 两种钳位电压规格来自不同的浪涌波形：SMBJ6.0CA 在 10/1000us 长浪涌下进行了测试、而 TSD05C 使用 8/20us 短雷击浪涌。 较短的 8/20us 脉冲承载的总能量较少、因此当 TVS 连接在电机端子之间时、芯片能够更好地承受 11.5V 差分尖峰。
    • 为了进一步优化、您可以添加一个与电机绕组串联的 2~5Ω 串联电阻、以降低进入 TVS 的峰值浪涌电流并延长整个保护电路的使用寿命。
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    TI__Guru**** 2931100 points
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    您好、Peter-San、

    感谢您的答复。
    从保护“OUT“引脚免受 LRA 反电动势的影响的角度来看、可以使用 TSD05C、因为大约在绝对最大电压 (11.6V (5.8x2) 范围内的钳位电压并且反电动势将成为差分信号。
    但是、从单独保护“OUT“引脚（例如，用户仅触摸“OUT+“引脚、然后导致 ESD）的角度来看、TSD05C 是不够的、因为这种情况应该被视为单端信号。
    如果用户也了解这种情况、则需要选择较低钳位电压保护 IC。

    这是我的理解,但是否有任何不正确的理解?

    此致、


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    TI__Guru**** 2931100 points
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    您好 Ryuichi-San、

    您的理解是正确的。
    1. 对于 LRA 反电动势（差分信号）：
      使用 TSD05C 是可以接受的、因为其差分钳位电压（约为 11.6V）处于 OUT 引脚的绝对最大额定值范围内。
    2. 对于单端 ESD 事件（例如，用户仅触摸 OUT+）：
      TSD05C 不够。 单端钳位电压可能会超过引脚的绝对最大额定值、因此确实需要使用低钳位电压保护 IC 来覆盖这种情况。