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[FAQ] [参考译文] [常见问题解答]调试硬件变体器件的故障

Guru**** 633810 points
Other Parts Discussed in Thread: DRV8302, DRV8306, DRV8328, DRV8311, DRV8329, DRV8323, DRV8353
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/1160331/faq-debugging-faults-with-hardware-variant-devices

主题中讨论的其他器件:DRV8302DRV8306DRV8328DRV8311DRV8329DRV832XDRV8323DRV8353

在使用具有硬件接口的无刷直流电机驱动器与 SPI 接口时、需要权衡以下方面:具有更简单的器件设置配置、但无法轻松诊断检测到的故障。 在 SPI 器件上、故障将“锁存”到状态寄存器中的特定位以轻松诊断发生的故障(例如 VGS_HA 指示 A 相高侧 MOSFET 上发生栅极驱动器故障)。 但在硬件器件上、发生故障的唯一指示器是 nFAULT 引脚变为低电平、这在尝试诊断评估期间发生的故障时非常有用。


在本 E2E 常见问题解答中,我们将分享一些提示和技巧,以帮助调试在使用硬件设备进行评估时使用硬件设备的已知行为发生的故障。


具有硬件接口的 BLDC 电机驱动器


具有硬件接口的无刷直流电机驱动器如下所示。 粗体器件通常更难调试、因为器件具有大量的保护功能:

栅极驱动器:

  • DRV8302
  • DRV8304H
  • DRV8306
  • DRV8320H/DRV8323H/DRV8320RH/DRV8323RH
  • DRV8340H-Q1/DRV8343H-Q1
  • DRV8350H/DRV8353H/DRV8350RH/DRV8353RH

集成 MOSFET 驱动器:

  • DRV8311H
  • DRV8316T
  • MCT8316Z0T


硬件设备行为


当发生故障时、该故障的保护机制有三个参数:阈值、时序和恢复模式。 此外、某些具有诊断功能的硬件器件会在加电或工作模式下自动启动。


栅极驱动器中的四个主要设置可以具有可配置的阈值、但这些保护功能的计时和恢复模式是默认的。 所有其他设置默认为阈值、时序和恢复方法。


确定故障、条件、配置、报告和恢复模式的最快方法是查看数据表栅极驱动器保护电路部分中的故障动作和响应表。 然后、我们可以确定哪些故障会将 nFAULT 引脚拉至低电平、以及故障是自动恢复、在固定时序后重试还是保持锁存关断状态。


图1 - DRV835x 中的故障操作和响应表。  

总之、通过了解与 nFAULT 引脚何时变为低电平相关的故障时序和恢复方法、我们可以推断出可发生哪些故障、并通过测量正确的波形进行确认。


常见硬件故障与诊断


以下是硬件器件中常见的故障类型及其时序和恢复方法。


电源欠压(VM_UVLO、PVDD_UVLO)


当电机电源电压低于欠压锁定阈值的时间超过欠压抗尖峰脉冲时间时、会发生电机电源欠压锁定、通常为 VM 或 PVDD。 如果发生这种情况、器件将自动关闭、nFAULT 将变为低电平、并且逻辑将被禁用。 很多时候、如果电机电源电压超过上升欠压锁定阈值、故障将自动恢复。

例如、在 DRV8328中、如果 PVDD 低于下降欠压锁定阈值(VPVDD 下降)的时间超过 tPVDD_UV_DG、则发生 PVDD 欠压、并且 PVDD 高于上升欠压锁定阈值(VPVDD 上升)时将恢复。


图2 - DRV8328中的 PVDD 欠压保护。  

通常情况下、电源欠压可能发生在以下几种情况:

  • 电机启动期间、增加的负载条件或未检测到的击穿事件期间、电源对电流的需求很大
  • 电源电感导致电源产生瞬态尖峰
  • PCB 上的大容量电源电容不足


要测量波形中是否出现 VM/PVDD 欠压、请测量 VM/PVDD 和 nFAULT。 使用 nFAULT 上的下降触发器来查看 VM/PVDD 是否低于电源欠压阈值的时间超过器件的电源欠压抗尖峰脉冲时间。


电荷泵欠压(CPUV)


当电荷泵电压小于电荷泵下降欠压锁定阈值的时间长于电荷泵欠压抗尖峰脉冲时间时、会发生电荷泵欠压锁定、通常为 VCP 或 CP。 如果发生这种情况、器件将自动关闭、nFAULT 将变为低电平、并且逻辑将被禁用。 很多时候、如果电机电源电压超过上升欠压锁定阈值、故障将自动恢复。


例如、在 DRV8311H 中、如果 CP 低于下降欠压锁定阈值(VCP 下降)的时间超过 tCPUV、则会发生充电欠压、并且当 CP 高于上升欠压锁定阈值(VCP 上升)时将恢复。

图3  - DRV8311中的电荷泵欠压保护。  


通常情况下、电荷泵欠压可能发生在以下几种情况:

  • 电荷泵存储电容器(位于电荷泵引脚和驱动器电源引脚之间)远离器件、电流环路过大、电容过小或因温度或电压偏置而导致电容降额
  • 栅极驱动器输出要求的平均栅极驱动电流高于器件电荷泵的电流能力
  • 如果电荷泵用于驱动外部负载、例如电源截止开关 MOSFET、则电荷泵上的外部负载电流过大


要测量电荷泵欠压是否出现在波形中、请测量 VCP/CP、VM/PVDD 和 nFAULT。 使用 nFAULT 上的下降触发器来查看电荷泵相对于电源电压的电压是否比电荷泵欠压阈值的时间长,而不是器件的电荷泵欠压抗尖峰脉冲时间。


栅极驱动器欠压(GVDD/VGLS)


当栅极驱动器电压小于栅极下降欠压锁定阈值的时间长于栅极驱动器欠压抗尖峰脉冲时间时、会发生栅极驱动器欠压锁定、通常为 GVDD 或 VGLS。 如果发生这种情况、器件将自动关闭、nFAULT 将变为低电平、并且逻辑将被禁用。 很多时候、如果电机电源电压超过上升欠压锁定阈值、故障将自动恢复。


例如、在 DRV8329中、如果 GVDD 低于欠压锁定阈值(VGVDD 下降)的时间超过 tGVDD_UV、则栅极驱动器欠压、并在 GVDD 高于欠压锁定阈值(VGVDD 上升)时恢复。


图4 - DRV8329中的栅极驱动器欠压保护。  

通常情况下、栅极驱动器欠压可能发生在以下几种情况:

  • GVDD 旁路电容(位于 GVDD 引脚和驱动器电源引脚之间)远离器件、电流环路过大、电容过小或因温度或电压偏置而导致电容降额
  • 栅极驱动器输出要求的平均栅极驱动电流高于器件内置 GVDD 稳压器或提供的外部 GVDD 的电流能力
  • 如果 GVDD 引脚用于驱动外部负载、例如外部稳压器或电路、则其上的外部负载电流过大


要测量波形中是否出现 GVDD 欠压、请测量 GVDD 和 nFAULT。 使用 nFAULT 上的下降触发器来查看电荷泵相对于电源电压的电压是否比 GVDD 欠压阈值的时间长,而不是器件的 GVDD 欠压抗尖峰脉冲时间。


其他欠压锁定(降压、DVDD、AVDD)


虽然不像以前的电源欠压锁定那样常见、但可以执行相同的策略来诊断降压、DVDD、AVDD 或 CSAREF 欠压锁定。 如果电源电压低于其各自的下降欠压锁定时间超过其抗尖峰脉冲时间、则 nFAULT 引脚通常会锁存低电平、直到其高于上升欠压锁定。


以下是有关特定硬件器件中各种电源的一些提示:

  • 在 DRV8316T 中、如果外部降压组件(LBK/RBK 和 CBK)缺失、由于降压欠压锁定、nFAULT 引脚在上电时可能会变为低电平。 即使未使用降压稳压器、也需要它们。
  • 通常、AVDD 和 DVDD 欠压锁定可确定器件内部的逻辑是启用还是禁用、因为它用于为逻辑供电。 如果发生 AVDD 或 DVDD 欠压锁定、则会禁用逻辑并导致重新锁存硬件器件引脚设置。


VDS 过流(VDS_OCP)


只有当每个 MOSFET 的相关 INHx/INLx 输入为高电平时,才会在漏源极电压上检测到过流保护。 如果 VDS 电压超过 VVDS_OCP 阈值电压(由 VDS 或 VDSLVL 引脚设置)的时间超过 tOCP_DEG、则会发生 VDS 过流事件。 如果发生这种情况、则在硬件器件上、nFAULT 引脚将变为低电平并关断该 MOSFET。 nFAULT 变为低电平后、可能会发生两种情况:

  1. 如果 PWM 输入信号保持低电平、则器件将等待 tRETRY 自动清除故障并开始栅极驱动器正常运行
  2. 如果 PWM 输入信号具有上升沿、则如果器件自动启用逐周期电流限制(仅限 DRV832x/DRV834x/DRV835x)、nFAULT 将自动清零并再次开始运行栅极驱动器。


例如、在 DRV8350H 中、假设 VDS 引脚有一个75k Ω 电阻器连接到 GND、这会将 VDS_OCP 阈值电压设置为0.2V。 INHB 引脚变为高电平、因此将在 INHB 为高电平时在 VDRAIN-SHB 上主动监测 VDS。


图5 - DRV832x 硬件器件中的 VDS 引脚设置。  


在该器件中、默认情况下 tOCP_DEG 时间为4us。 假设 MOSFET 上发生短路事件、导致 MOSFET 上出现较大的电压尖峰。 如果 MOSFET 的 VDS 电压大于0.2V 且持续时间超过4us,则出现 VDS 过压,nFAULT 引脚将在关断栅极驱动器时变为低电平。


图6 - DRV832x 硬件器件中的 VDS 过流抗尖峰脉冲时间。  

假设固件已设置为以20kHz 频率继续驱动 PWM 输入、即使发生故障也是如此。 在每50us 发生一次的下一个 INHB 上升沿、nFAULT 引脚将自动清零并尝试再次驱动 MOSFET 栅极。 这称为逐周期电流限制、这意味着 MOSFET 将继续关断、直到在持续运行期间清除过流情况。


图7- DRV832x 硬件器件中逐周期电流运行的说明。  

假设固件设置为在检测到 nFAULT 事件后关闭所有 PWM 输入低电平。 DRV8350H 将等待8ms、然后释放 nFAULT 引脚并尝试再次从 PWM 输入控制栅极驱动器输出。 这称为自动重试、因为器件将在固定的重试时间后重试、以使系统恢复正常电流、然后再运行。 这对于快速、大型过流事件很有用、例如击穿电流或 VDS MOSFET 上的过压振铃。


图8 - DRV835x 硬件器件中的 VDS 过流自动重试时间。  

通常、VDS 过压可能发生在以下几种情况:

  • IDRIVE 设置过大会导致快速 VDS 压摆率低于100ns。 如果高侧 MOSFET 压摆过快,开关节点电压可能会耦合到低侧 MOSFET 的栅极信号中,这称为 dV/dt 耦合或串扰。 如果低侧 MOSFET 栅极信号导通、则可能会导致通过半桥的击穿事件和跳闸 VDS 过流保护。 选择合适的 IDRIVE 设置、实施 RC 缓冲器并实现良好的功率级布局可缓解 VDS 过流故障。
  • IDRIVE 设置过低会导致4ms 内的 VDS 压摆率变慢。 这可能会导致 MOSFET VDS 电压在 tOCP_DEG 之后高于 VVDS_OCP 值、即使没有发生真正的过流事件。 这有时被称为“假过流事件”。 选择合适的 IDRIVE 设置可以缓解错误的 VDS 过流故障。
  • 有时,在导通高侧 MOSFET 的同时,通过短接低侧 MOSFET 的漏源电压来故意测试 VDS 过流测试。 这可能导致电源电压大幅下降,同时监控高侧的 VDS 电压。 不建议执行此测试、因为当电源和漏极电压接近其欠压锁定阈值时、VDS 监控会受到影响。 评估 DRV 器件 VDS 过流保护的首选方法是移除 MOSFET 并在漏源极监控引脚上施加 VDS 电压、从而触发过流保护。


要测量波形中是否发生 VDS 过流、请测量 nFAULT 并在下降沿触发。 如果 nFAULT 信号在 PWM 周期时间(即10-50us)内“清零”,则表示发生了逐周期过流。 如果 nFAULT 信号在 tRETRY 之后清零、则表示自动重试、因为 PWM 在发生过流情况故障时关闭。


要确定发生 VDS 过流事件的 FET,请使用单端探头(或使用差分探头的 GHx-SHX)测量 nFAULT、GHx、SHx 和 GLx,以在 nFAULT 下降沿触发,以查看每个 MOSFET 的 VDS 电压在 tOCP_DEG 之后是否高于 VVDS_OCP 电压。 您需要将其放大至大约1us/div、以分析高侧 MOSFET (PVDD/VDRAIN-SHX)和低侧 MOSFET (SHX/DLX-SLX/SPX/LSS)的 VDS 行为。


VSEN 过流(SEN_OCP)


如果分流电阻器上的差分电压超过 VSEN_OCP 或 VSEN 阈值电压的时间超过 tOCP_deg,则会发生 VSEN 过流(在每个相位的低侧分流电阻器上检测到)。 在具有三个低侧电流感应放大器的器件(例如 DRV8323/DRV8343/DRV8353)上、当 VSEN 的相关 INLx 输入为高电平时、VSEN 在 SPX-SNx 上有效。 如果发生这种情况、则在硬件器件上、nFAULT 引脚将变为低电平并关断该低侧 MOSFET。 一旦 nFAULT 变为低电平、器件将等待 tRETRY 自动清除故障并开始栅极驱动器正常运行。


例如、在 DRV8323H 中、感测电阻过流电压(VSEN_OCP)固定为1V。 INlc 引脚变为高电平,因此将主动监测 C 相低侧分流电阻器上的 SPX-SNx 电压,以检测是否发生过流情况。


图9 - DRV832x 硬件器件中的 VSEN_OCP 默认阈值。  

在该器件中、默认情况下 tOCP¬_deg 时间为4us。 假设在低侧 MOSFET 上发生短路事件、在禁用 VDS 保护的情况下会导致通过分流电阻器的电流尖峰较大。 如果分流器上的电压大于1V 且持续时间超过4us、则发生 VSEN 过压、nFAULT 引脚将在关闭 C 相低侧 MOSFET 的同时变为低电平。


图10 -   DRV832x 硬件器件中的 VSEN_OCP 过流抗尖峰脉冲时间。  

假设固件设置为在检测到 nFAULT 事件后关闭所有 PWM 输入低电平。 DRV8323H 将等待4ms、然后释放 nFAULT 引脚并尝试再次从 PWM 输入控制栅极驱动器输出。 这称为自动重试、因为器件将在固定的重试时间后重试、以使系统恢复正常电流、然后再运行。 这对于快速、大型过流事件很有用、例如击穿电流或分流电阻器上的过压振铃。


图11 - DRV832x 硬件器件中的 VSEN_OCP 自动重试时间。  

通常、VSEN 过压可能会在以下几种情况下发生:

  • 如果 VDS 保护被禁用、dV/dt 耦合(如上面的 VDS 过流保护中所述)会通过半桥和分流电阻器导致击穿事件。 启用 VDS 保护、选择合适的 IDRIVE 设置、实施 RC 缓冲器以及具有良好的功率级布局可以排除 VSEN 过流故障的可能性。
  • 如果分流电阻器过小,或者从低侧 MOSFET 到分流电阻器到电源接地的电机电流路径不足,那么增加的电感可能会在分流电阻器的 SPX-SNx 引脚附近引起更大的尖峰。 如果电压尖峰超过1V 的时间超过过流抗尖峰脉冲时间、则可能会错误地触发 VSEN 过流保护。 为了防止这种情况发生、请确保电机返回电流路径具有足够的布局、SPX-SNx 引脚直接连接到分流电阻器、以差分方式连接到器件以消除任何差分噪声、并选择性地添加输入滤波。


要测量波形中是否发生 VSEN 过流,请使用单端探头(或使用差分探头的 SPX-SNx)测量 nFAULT、SPx 和 SNx,以便在 nFAULT 下降沿触发,以查看每个感应电阻器的差分电压在 tOCP_DEG 后是否高于 VSEN_OCP 电压。 您需要将其放大至接近1us/div、以分析分流电阻器(SPX-SNx)的差分电压行为。


栅极驱动器故障(GDF)


栅极驱动器故障发生在具有 VGS 监控功能的器件上、以确定 MOSFET 栅极驱动器输出是否处于正确状态。 采用智能栅极驱动技术的器件包括一个参数 TDRIVE,它是一个消隐计时器,在相位的 PWM 输入切换时启动,并在默认 TDRIVE 周期后过期。 一旦它到期,评估每个相位的栅极驱动输出,以确保它已切换到正确的状态;否则,栅极将被视为“卡滞”,并出现栅极驱动器故障。


通常,内部监控阈值电压大约为2V,以确定 MOSFET 的 VGS 电压是“导通”还是“关断”。 例如,如果在 INHx=1和 INLx=0时 t=0,那么在 TDRIVE 结束时,VGS_Hx 应该为“打开”(>2V),VGS_LX 应该为“关闭”(<2V)。 如果栅极驱动器处于不正确的状态、则报告栅极驱动器故障、nFAULT 引脚将锁存为低电平、并且需要一个复位脉冲来清除故障。


图12 - DRV834x-Q1器件中的 TDRIVE 图。  


例如,在 DRV8343H-Q1中,TDRIVE 默认为3000ns,VGS 下降/上升阈值约为2V,以从 DRV8343H-Q1的角度确定 MOSFET 是“导通”还是“关”。 在 t = 0ns 时、如果 INHx 和 INLx 输入正在切换、那么在 t = 3000ns 时、栅极驱动器输出 GHx 和 GLx (相对于其源极电压)应处于其正确状态。 如果它们处于不正确的状态、则会禁用所有栅极驱动器输出、并且 nFAULT 引脚将变为低电平。


图13 - DRV834x-Q1硬件器件中默认的 TDRIVE 时间。  

通常、栅极驱动器故障可能发生在以下几种情况:

  • 所选的 IDRIVE 或 TDRIVE 设置过低、无法在所需时间内转换外部 MOSFET。 增大 IDRIVE 或 TDRIVE 设置可以解决这些情况下的栅极驱动器故障。
  • 如果外部 MOSFET 发生栅源短路、则会报告栅极驱动器故障、因为 MOSFET 栅极未导通。
  • 栅极和源极之间有太多的外部下拉电阻(通常小于10kohm)、导致栅极无法充分导通。
  • 布局中的栅极驱动布线宽度不够宽(建议15-20mil)、无法支持更大的 IDRIVE 值。
  • 驱动器的栅极和源极引脚之间存在内部损坏


要确定硬件器件中是否发生栅极驱动器故障、请测量以下波形:

  • 高侧栅极驱动输出:INHx、GHx、SHx、nFAULT
  • 低侧栅极驱动输出:INLx、GLx、SLX/SPX、nFAULT


如果在 INHx 或 INLx 输入变化的 TDRIVE 周期之后 nFAULT 变为低电平、则表明在 TDRIVE 周期之后会发生栅极驱动故障。 通过测量 GHx-SHX 和 GLX-SLX/SPX 之间的差分电压进行双重检查,以确定 MOSFET 的 VGS 电压是否处于正确状态。


热警告/热关断(OTW/OTSD)


如果器件结温超过过热警告或关断阈值和迟滞、则会出现过热警告和关断。 如果 nFAULT 自发地变为低电平并恢复、这可能表示过热。


如果 PCB 布局不足、栅极驱动器设置过高或电荷泵或内部稳压器过载、则可能会发生这种情况。 这将导致 nFAULT 在事件被清除前自动锁存为低电平。


硬件器件的调试策略摘要


下表显示了硬件器件中常见的故障类型、这些故障的时序、故障检测阈值、通用恢复方法以及通过在 nFAULT 下降沿触发来确定故障的进一步调试波形。 请注意、由于受寄生效应影响的敏感电路、最好使用低电容探头和/或差分探头在尽可能靠近 DRV 的位置进行测量来捕获波形。

故障

时序

阈值

恢复

进一步调试的波形(在 nFAULT 下降沿触发)

电源欠压

VM/PVDD UVLO 抗尖峰脉冲

VM/PVDD UVLO 下降

VM/PVDD UVLO 上升

VM/PVDD、nFAULT (放大至10us/div)

电荷泵欠压

CPUV 抗尖峰脉冲

CPUV 下降

CPUV 上升

VCP/CP、VM/PVDD、nFAULT (放大至10us/div)

栅极驱动器 欠压

GVDD/VGLS UVLO 抗尖峰脉冲

GVDD/VGLS 下降

GVDD/VGLS 上升

GVDD/VGLS、nFAULT (放大为10us/div)

降压欠压

降压欠压抗尖峰脉冲

VBK_UV 下降

VBK_UV 上升

FB/FB_BK、nFAULT (放大为10us/div)

AVDD/DVDD 欠压

AVDD/DVDD UVLO 抗尖峰脉冲

AVDD/DVDD 下降

AVDD/DVDD 上升

FB/FB_BK、nFAULT (放大为10us/div)

VDS 过流

过流抗尖峰脉冲 tOCP_DEG (默认值)

VVDS_OCP (由 VDS 引脚设置)

如果输入为低电平、则为 tRETRY (默认值)

对于 HS FET:

·       INHx、VDRAIN/PVDD、SHx、nFAULT

(使用四个单端探头测量尽可能靠近 DRV 的位置)

·       INHx、VDRAIN/PVDD-SHX、nFAULT (使用两个单端探头和一个差分探头、用于在尽可能靠近 DRV 的位置进行 VDRAIN/PVDD-SHX 测量)

·       对于自动重试、缩放至1ms/div。 对于逐周期电流限制、缩放至20us/div

 

对于 LS FET

·       INLx、SHx、SLX/SPX、nFAULT

(使用四个单端探头测量尽可能靠近 DRV 的位置)

·       INHx、SHX-SLX/SPx nFAULT (使用两个单端探头和一个差分探头、以便在尽可能靠近 DRV 的位置进行 VDRAIN/PVDD-SHX 测量)

·       对于自动重试、缩放至1ms/div。 对于逐周期电流限制、缩放至20us/div

如果发生输入上升沿、则为下一个 PWM 周期(1/fPWM)

VSEN 过流

过流抗尖峰脉冲 tOCP_DEG (默认值)

VSEN_OCP (默认值)

tRETRY (默认值)

·       INLx、SPx、SNx nFAULT

(使用四个单端探头测量尽可能靠近 DRV 的位置)

·       INHx、SPX-SNx、nFAULT (使用两个单端探头和一个差分探头、以便在尽可能靠近 DRV 的位置进行 VDRAIN/PVDD-SHX 测量)

·       缩放至1ms/div

 

 

栅极驱动器故障

TDRIVE (默认值)

~2V

~2V

对于 HS FET:

·       INHx、GHx、SHx、nFAULT (使用尽可能靠近 DRV 的单端探头进行测量)

·       INHx、GHx-SHx、nFAULT (使用两个单端探头和一个差分探头、用于在尽可能靠近 DRV 的位置进行 GHx-SHx 测量)

·       缩放至1us/div

 

 

对于 LS FET

·       INLx、GLx、SPX/SLx、nFAULT (使用四个单端探头、测量尽可能接近 DRV)

·       INLx、GLX-SLX/SPX、nFAULT (使用两个单端探头和一个差分探头、以便在尽可能靠近 DRV 的位置进行 GLX-SLX/SPX 测量)

·       缩放至1us/div

热警告/热关断

自动(无抗尖峰脉冲)

TJ > TOTW (警告)、TJ > TOTSD (关断)

TJ < TOTW - THys (警告)、TJ > TOTSD - THys (关断)

VCP/VCPH/CP、GVDD/VGLS、GHx、GLx、nFAULT。 在栅极驱动输出或稳压器上查找任何“高于正常值”的电压,以在内部指示过应力或更高的功率损耗。