[参考译文] DRV8701：PWM 版本-间歇性预驱动或 OCP 故障

Colin、

是否可以使用上面的"回形针"图标重新连接原理图？  显示不正确。

Colin、

我还怀疑数据表第7.3.13.4节中描述的预驱动器故障(PDF)。  您是否可以尝试通过拉栅极电阻器来移除额外的 FET？

此外、我们建议使用10欧姆电阻器隔离并联 FET 的栅极。  例如、R61可以为0欧姆、但 R65应该为10欧姆。  我不确定这是否会导致您的问题、而是进行另一个实验。   

从您的第一个帖子开始：

当故障状态激活时、故障线路在发送高速 PWM 命令时转换为低电平、电机将不会移动、但发送更慢的 PWM 命令仍会无故障地移动电机。

您能详细说明一下吗？  更高的速度是"更高的占空比"？  您是从较低的占空比缓慢上升到较高的占空比、还是在速度之间快速跳跃？   

您好、Ryan、感谢您的快速回答。

昨天我实际上想移除4个冗余 FET (不想移除原本会更容易的栅极电阻器)。 一切似乎都正常、我们无法重现故障情况。 但是、测试发生了一个小时左右的灾难性故障、PCB 上的一些迹线被烧毁...因此、我们似乎需要额外的迹线和/或 FET 来处理电流。

明天我可以尝试在新电路板上为并联 FET 使用10欧姆电阻器。

为了回答有关 PWM 的问题、当不使用时、控制器会始终将 IN1和 IN2引脚保持逻辑高电平(两个引脚上均为100%占空比、 这相当于制动模式)、直到我们移动电机、此时我们开始降低其中一个输入引脚的正向或反向占空比。 这是在20kHz 下完成的、在工作时似乎工作良好。

当故障状态激活时、这意味着一个引脚的占空比更小(较高速度~= 25-60%占空比)会导致 Hbridge 芯片将其故障线路拉低、而较大的占空比(较低速度命令~= 60-100%)仍然有效。 我还没有测量确切的占空比阈值、但在发生故障的地方、 但是、如果我们快速更改为更高的速度或逐渐上升、这似乎是一致的、并且无关紧要-在大约相同的占空比范围内、结果将是相同的。

Ryan、您好、我原来的帖子是："MOSFET 正在使用：NVMTS0D4N04CLTXG"。

RDS (on)=[0.3、0.4] m Ω、其中 VGS = 10V、ID = 50A。对于此应用、通过过去的测量得出的最大电机电流约为30A。

我可以看到、如果我针对驱动器芯片电路正确计算、这些 MOSFET 的总额定 NC 会稍微偏高：QG < I_VCP / f_PWM = 12mA/20000Hz = 600nC。 这些 FET 的总栅极电荷为341nC、但由于具有额外的并联 FET (682nC)、电荷增加了一倍？ 您认为这可能导致故障吗？

直到下周或1月初、我似乎没有时间将跳线换为10欧姆电阻器、但我会在我这么做时告诉您结果。 如果您可以推荐替换 FET、请告诉我、我也会尝试。

感谢您的帮助！

您好、Ryan、

我今天能够安装一个新的驱动器 PCB、但在我交换一些栅极电阻器之前、我先将其取出。 我手头没有10欧姆、因此每个并联 FET 使用20欧姆(例如、R52 = 0欧姆、R57 = 20欧姆等)。

我在启动电机时使用了热像仪来观察驱动器、但电机现在根本不旋转、 但驱动器会发出高频的呜呜声噪声、而采用0欧姆跳线的 FET 会非常快速地升温(其余情况下、FET 的外壳温度约为38°C、 但在尝试驱动电机时、它会在一秒或两秒内升温至~55C)。 我没有将其离开几秒钟、担心我可能会损坏电路板。 Hbridge IC 还会与 FET 同时开始加热。

我将再次焊接所有0欧姆跳线、以确保电路板本身没有故障、然后尽可能尝试另一种 FET。

Colin

Colin、

感谢您的更新。  驱动器没有理由像这样加热。  您是否有另一个 PCB 可供尝试？

今天再次尝试使用0和20欧姆电阻器、认为控制器固件可能在我上次测试时过期、因此我对控制器进行了回流焊。

电机的运转仍然很困难、但启动速度会比正常速度慢、并且1对 FET 会在几秒钟内从~25C 升温至大约70C。 将速度命令重置为0%会导致 FET 再次冷却至30°C 左右、我可以重复此操作、但一次保持此状态的时间不超过5秒。 因此、如果 允许保持导通、FET 温度可能会升高到70C 以上。

我将所有栅极电阻器替换回0欧姆跳线、现在电机以正常加速和速度再次旋转。 对于所有0欧姆栅极电阻器、某些 FET 在启动电机时仍会变热(特定的一组 FET 取决于方向)、但温度非常合理、最大温度为40-50C、仅当电机斜升至速度时。

我注意到、您建议的替代 MOSFET 不仅尺寸错误、而且具有不同的引脚输出、需要在引脚和焊盘之间使用焊接跳线(栅极在引脚4上、而不是原始器件的引脚1上)。 我知道他们不是 TI 器件、但我找到了这些潜在的替代器件、想知道您是否可以评论如何将它们与此驱动器 IC 配合使用：

备选方案1 - NVMTS0D7N04CTXG

备选案文2 - TK099V65Z、LQ

谢谢、

Colin

Colin、

Toshiba 器件为100m Ω 和650V 器件。  在 Rdson 上沿错误的方向移动、并在电压上过压。

从某种程度上讲、这似乎是合理的、也是一个不错的选择。   

您好、Colin、

我没有 DRV8701方面的经验、但我有一些 DRV8711和步进电机方面的经验。

对于 DRV8701、两个 NVMTS0D4N04CLTXG 的栅极电荷可能过高、这可能是正确的。

我会尝试通过平衡开关损耗和导通损耗来最大程度地降低 MOSFET 损耗。

即使使用单 个 NVMTS0D4N04CLTXG、开关损耗也可能比导通损耗高得多。

我会尝试使用单 个 NVMTS0D4N04CLTXG 解决方案(如果不存在振铃和 EMI 等其他问题、则无需栅极电阻器)

然后、我将尝试单 个 NVMTS0D7N04C 并比较温度。 这样、我就知道我应该走哪个方向

较低的 Rdson 和导通损耗、但较高的开关损耗或相反。  

您还可以使用示波器 MOSFET 开关时间进行测量、如果开关损耗远高于、则估算开关损耗

导体损耗、那么我会选择具有更高 Rdson 但更低栅极电荷的 MOSFET。

MOSFET 开关速度更快的一个缺点是可能会出现振铃和 EMI 问题、但这些问题会导致这些问题

可通过适当的 PCB 设计和其他解决方案最大限度地减小。

此致、

Grzegorz

Colin、

我刚刚想到470uF 大容量电容器(如果是电解电容器)可能有点小

30A 纹波电流的值。

此致、

Grzegorz

Grzegorz、

谢谢，所有的好建议！

您好、Ryan、

几天前、我订购了相同的封装 FET、具有更低的栅极电荷、这些 FET 于今天上午到达(NVMTS0D7N04CTXG)。 我今天有时间交换全部8个晶体管、在加电方面一切看起来都很好。 我仍在所有8个门上使用所有0欧姆跳线。 遗憾的是、在更换部件之前、我没有看到此处建议使用单个晶体管

测试时间大约30分钟、提供电机电流的断路器跳闸、我发现一些 FET 由于栅极、源极和漏极之间的短路以及驱动器芯片上的几个引脚之间的短路(包括 GH2接地)而受到严重损坏。 我已经更换了驱动器 IC 和损坏的 FET、电机现在再次旋转、但我将在明天继续测试时非常小心地监控电流消耗。 不确定是什么导致了该故障、在交换器件时可能过热、或者可能是高于晶体管最大 Vds 的电压尖峰？ (Vdss max = 40V)温度非常合理、最高温度不超过50°C、我可以在电路板的任何位置看到、即使在电机斜升时也是如此。

感谢 Grzegorz 的建议、我将订购一些1000uF 电容器以代替470uF、并在高侧 FET 的 VDS 上连接一个差分示波器以观察开关时间。

我认为可以使用此公式来近似计算开关损耗？ 功率= 1/2 * Vin * IO *(T_RISE + T_FALL)* f_switching [Hz]

如果我能够使这个新部件解决原始故障条件而不造成损坏、我可以尝试移除冗余4个晶体管。 简化电路并减少器件数量将会是一件很好的事情。

感谢你的帮助！

您好、Ryan、

在过去的几周中、我只花了几天的时间来测试具有较低栅极电荷替换 FET 的驱动器。 现在、我在两个单独的 PCB (两个采用相同设计)上看到了3次相同的行为、其中 M3B 周围的1个或多个 FET (Q9、Q10、Q12、Q13)发生了漏极源极和栅极之间的损坏和短路。 我几乎总是会通过 DRV8701芯片在内部看到栅极-源极-漏极短路、因此每次发生故障时都需要更换驱动器芯片。 这通过所有0欧姆跳线和1000uF 大容量电容器分别代替2欧姆栅极电阻器和470uF 电容器实现。 M3A 输出上的 FET 似乎不受此故障的影响、但可能是电机停止时通常会沿一个方向运行、这是典型的情况。

有一个与锁存环按钮控制的电机电压一致的大型继电器、当按下或释放此环时、似乎会发生故障。 我假设故障是由高侧 FET 漏极处的大电压尖峰造成的、并且耦合到栅极以驱动它们并加速烧毁(栅极电压可能超过20V、也超过最大 Vgs)、 或者、由于电机电感/浪涌电压烧毁内部 FET 体二极管而产生反向电压。 我已经使用示波器测量了从高侧 FET 的漏极到接地的24V 线路、我可以看到偶尔出现的振铃、但电压不超过几伏(我认为最大为5Vpk-pk、但忘记获取屏幕截图)。 在大多数情况下、撞击 estop 完全不会产生振铃。 我还使用每个 M3B 对 FET 的差分探头测量了 VDS、可以看到发送的 PWM 信号在20kHz 时看起来正常、尽管我尚未计算损耗、 并且更关注 estop press 或 release 现在发生的情况、而不是正常运行期间发生的情况。  

为了解决这种 estop 故障、我在每个 FET 对的栅极-源极上添加了15V 齐纳二极管(根据24V VM 的数据表、最大驱动电压应为~10V、因此我认为精密15V 齐纳二极管有助于防止任何瞬变)、 我在 DS 上添加了外部肖特基二极管、以补充内部 FET 体二极管的弱 小部分。 我还尝试添加两个缓冲器、其中包含一个与10nF 陶瓷电容串联的100欧姆电阻器、这两个电阻器都放置在每个对的 DS 上。 我已经看到、PCB 在使用该缓冲器时和不使用该缓冲器时都出现了故障。

我认为、线圈与驱动器 PCB 接地共用的大型环回继电器在切换时可能会因接地平面上的负尖峰而导致损坏、因此我完全隔离了线圈并直接从电池为其供电以进行测试。 我还看到、从输入电源到该 H 桥和 MOSFET 的接地路径电阻相对较高、 因此、如果 由于布局而增加电感、我将18AWG 导线从 PCB 上的负电池输入直接焊接到感应电阻器接地连接。

这些修复均未解决问题、相同的 FET 仍在运行(或驱动器芯片仍在运行、进而导致 FET 关闭)。 estop 继电器不会切断到 DRV 芯片 VM 输入的24V 电源、只切断到 MOSFET 的电源、但我想电压尖峰会在电机与驱动器芯片的闭合时通过继电器触点传回...

因此、最初的问题看起来可以通过新的 FET (tdrive 超时故障)来解决、但它会出现一个新问题、即 FET 将通过 estop 印刷机随机损坏。  

如果不完全重新设计 PCB 以接受替代 FET 模型、则不确定此时还需要尝试什么、但如果您有任何想法、请告诉我。 如果您想查看任何特定的数据或电机数据、我可以附加示波器捕获。

刚刚尝试安装了我上个月订购的 TK099V65Z、LQ 替代 MOSFET、作为使该驱动器立即工作的最终努力。 尽管 Rdson 要高得多、但我认为它们仍然应该能够处理~15A 电机电流(最坏情况下、负载电机使用大约15A、使用钳位电流表进行测量、尽管我尝试设计的总电流为30A)。

我还认为、较高的额定电压可能会避免因任何导致故障的原因而造成损坏。 当我为 H 桥的所有8个 MOSFET 输入这些值时、驱动器发出高频的呜呜声噪声、电机将不会旋转。 我能够捕获 A 和 B 电机接地点以及来自驱动器的故障线路的一些波形。 我将测量栅极接地、但我认为驱动器在我能够在屏幕上获得波形之前失败了。 现在、故障线始终为低电平。

尝试发送全速转发时的故障信号：

发送全正向速度 PWM 时、电机点 B 相对于接地测量：

放大 B 至接地信号(与上述信号相同)。 大约2.0us 时、t_drive 限制似乎接近2.5us、但仍低于2.5us。 虽然电路板在我测量栅极电压之前发生故障、但这告诉我故障不应与 t_drive 相关、栅极电压必须远高于1V、并且在完全驱动时的2.5us 内

并测量了相对于接地的 A：

正如我在上一篇文章中所述、24V 电源轨上存在一些振铃、在这些图像中可以看到大约5V、但我认为这不足以损坏额定电压为45V 的 IC、 不知道为什么它根本不能转动电机...  

尽管数据表中说我可以共享电机和 IC 的电源、但我应该隔离这两者、还是应该为 VM 引脚添加更好的滤波器？ 它说最低10uF、但在本例中、我可能需要100uF 的电容？？？

Colin、

您绝对不想隔离 DRV8701和外部 FET 之间的电源连接。  这将影响高侧 VDS 监视器、该监视器比较外部高侧和源极漏极上的压降。  由于我们没有单独的引脚来监控漏极电压、因此该器件在内部使用 VM 作为基准、因此它应该与外部 FET 处于相同的电位。   

是否可以分享您用于切断驱动器和 FET 电源的外部继电器的原理图？  如果电机在此过程中进行驱动、它将在断电时成为发电机、电流将流回 FET 的体二极管并将电源电压向上泵入。  大容量电容器有助于吸收其中的一些能量、但电压仍可能会增加到超过 FET 和驱动器的额定电压。  我怀疑这就是驱动程序损坏的原因。  您是否曾尝试在达到此 Estop 时捕获 DRV8701 VM 引脚上的电压？

您可能会发现此博客很有趣。

https://e2e.ti.com/blogs_/b/industrial_strength/archive/2013/12/13/art-of-stopping-the-motor-vm-pumping

我在撞击 estop 时测量了 VM、但在移动时测量的不是实际的 VM -我尝试将示波器放置在推车上并将其与机器一起移动、但在移动时很难测量、而不会短接某些东西或将探头从电路板上撕裂开。 我也将机器放在了木块上、但实际上电机负载不是很重。 在我测量过 VM 的所有情况下、当我达到稳压器时、我只能在最坏的情况下看到+5V 振铃、而在~26V 电池电源下、最大值仅超过30V。

这是具有反极性 MOSFET 的电源输入部分：

 和由 estop 激活的继电器：

我感到困惑的是、如果电机充当发电机并将电源电压尖峰到高于最大 VM、MOSFET 是否不必处于滑行模式、至少驱动一个高侧？ 当我们到达 estop 时或刚刚将速度设置回空档(0%速度)时、我们将向电机发送制动命令(IN1 = 1、IN2 = 1)。 如果电机设置为低侧慢速衰减、并且仅低侧 MOSFET 导通、这是否会导致接地端出现大电压尖峰？  

在使用 TK099V65Z、LQ 替代晶体管进行测试后、AVDD 引脚似乎通过 drv 芯片内部短接至接地。 这次没有一个晶体管发生故障、就像它们通常使用 ON 器件一样(我认为这是因为该器件的额定电压非常高)。 我假设这意味着 VM 引脚上存在较大的电压尖峰、该电压尖峰传播到4.8V LDO、并通过该电压尖峰进行燃烧。

是否建议添加一个介于24V 和 VM 之间的小值电阻器(可能需要几欧姆来限制电流？)、或者几 μ H 电感器、以及一个更大的电容器来代替 VM 引脚上的10uF？ 我还可以在 VM 与接地之间添加 TVS 二极管。

您好、Colin、

 TK099V65Z 的 RDS 对于您的应用而言非常高、即使其中两个是并联的。

80度 Ta 时的 TK099V65Z RDS 为0、12欧姆、因此两个并联的阻抗为0、06欧姆。

DRV8701 OVC 保护电平为1V、因此 两个并联 TK099V65Z 的 OVC 跳闸电流约为16A。

此时、您可能会遇到 OVC 故障。

在最后一个示波器上、我可以看到开关节点电压振铃相当大、大约比 GND 低4V

高于 VM 约4V。 这可能适用于16A 左右的电流、对于更高的电流、则应该会出现振铃

较高、会超出 DRV8701最大节点引脚电压(GND-2V 和 VM+2V)。

您开展的项目非常棘手、我会逐步完成。

1/我会使电路板在正常情况下工作一段时间(VM 电机未切换)、不会出现任何故障

如果不起作用、我会降低电压/电流并查找我之前提到的任何问题。

2一旦电路板在正常条件下工作、我将检查振铃和电压是否正常

超出 DRV8711和 MOSFET 最大额定值。

3如果它们处于安全裕度范围内、我会尝试将 VM 和电流增加10%到50%、然后查看

如果电路板仍然可以正常工作、则不会出现问题。

４然后我会尝试使用 VM 中继并解决与该中继有关的任何问题。

此致、

Grzegorz

谢谢 Grzegorz、

我对您的理解是正确的、在上面的步骤1中、您是否意味着不断开 VM 的电源、如中所示、不会打开和关闭电源？ 如果是这样、我现在从不断开 VM、只通过 estop 继电器提供 MOSFET 电源(VM 提供给继电器上游的 DRV 芯片)、但我现在不切换继电器、只关注与 DRV 芯片之间的信号。 我无法轻松更改系统的电压、因为它由2节12V 电池供电。 我只需连接1即可降至12V、但需要重新接线、这并不是典型的系统电压。

首先、我重新连接新电路板为电源、但未连接任何电机、以查看信号、而不考虑电机发出的噪声。 在未连接电机的情况下、所有信号看起来都像干净的方波、振铃或过冲非常小(我在其中一个电机输出上测量了大约600mV 的下冲。 当我连接电机时、信号看起来仍然相对干净、但我让机器在无满负载的情况下以木块运行。

低侧对的 VGS 看起来具有大约-1.2V 的一些振铃：

栅极驱动时间似乎小于500ns、直到 FET 被完全驱动：

不确定如何解读高侧栅极的 Vgs (M3B 上的接地端、栅极上的探针、与驱动器接地隔离的示波器接地端)、因为峰间值看起来非常接近我现在使用的 FET 的最大 Vgs、 我认为、随着电机加速运转、源极被下拉：

电机上的电压看起来相当干净、但也会出现~1V 的轻微负电压尖峰：

这是在电机输出端具有1000uF 大容量电容、但除了10uF 陶瓷电容外、还在 drv 芯片的 VM 引脚处添加了15uF 电解电容、并添加了40V TVS 齐纳二极管、以避免损坏任何其他驱动器 IC。 我再次使用原来的 MOSFET (NVMTS0D4N04CLTXG)、这唯一的问题是电机无响应时的故障信号(而不是 drv 芯片出现故障的替代方法)。

我认为最初的问题实际上不是驱动、因为这些 FET 似乎在一微秒内和2.5us 限制内驱动良好、因此可能是负尖峰或过压导致芯片发生故障 (mabye VCP 过低-尽管我在故障期间使用电压表检查了 VCP、但我尚未使用示波器进行测量)。 我认为下一步是使用负载电机关闭块进行测试、看看噪声或振铃是否会变差。 如果故障再次发生、我将重新检查 tdrive 以及 VM 引脚和电机节点上的电压尖峰。

您好、Colin、

我不打算从 DRV8701的 VM 引脚上断开24V_ToMotors (当然、请确保手推车/机器的运行安全)。

在较低的电源电压和较低的电流下运行、如果故障在启动后发生得太快、则有时间执行测量。

这样、您就可以避免频繁更换组件的问题。

MOSFET 电路中的振铃通常是由寄生电感和电流变化引起的、例如 di/dt、通常会提供较高的电流

di/dt 和振铃更高。

如果未连接电机、则应无振铃。

了解 MOSFET 振铃的性质和 PCB 设计以减少振铃非常重要。 您可以在互联网和 YouTube 上找到一些好的解释。

您可以搜索"MOSFET 振铃""MOSFET 体二极管""MOSFET 寄生电感"等

 还有一些有关 PCB 设计的好材料、如 https://www.ti.com/lit/an/slva959a/slva959a.pdf。

该讲座介绍 了 www.youtube.com/watch 电机驱动器设计过程的复杂性

第一份 oscillogram。 LS MOSFET 栅极似乎未完全充电至大约9.3V (9.3V -根据 DRV8701数据表)、这可能是因为 MOSFET 栅极电荷过高。

它最初充电到大约5V、但应该充电到大约9.3V、应该没有第二个斜率、这个部件应该平坦在大约9.3V。

第三个示例。 最好通过使用两个通道进行测量来确认高 Vgs 电压。 GND 和开关节点之间的一个通道、第二个通道

栅极之间的电压。 如果差值为20V、则存在问题。

此致、

Grzegorz

Colin、

要监控24V_ToMotors 的峰值、您可以使用一些具有峰值最大值功能的良好(不是很慢) DMM。

此致、

Grzegorz

Colin、

这是另一个很好的视频

https://www.youtube.com/watch?v=OhIChZWMVUQ&list=PL9B4edd-p2ah3Uj_HhARAW6jOe5IbvvVN&index=14

BR、

Grzegorz

感谢您提供的信息！ 我已经尝试尽可能严格地遵循数据表中的布局建议。 是的、我现在看到栅极电压似乎正在快速充电、然后会减慢、这可能是驱动器在从 tdrive 转换时保持电流较弱。

这是高侧的差分信号、探针1位于栅极至接地端、探针2位于源极至接地端：

这似乎也在附近、或刚刚高于20V。。同样、不确定是否有一些抽象的原因、即示波器上的电压可能高于实际电路中的电压。。。。但这似乎是损坏 MOSFET 的危险、其中许多 MOSFET 通常具有+/-20V 的 Vgs 最大电压。

Colin、

您能否测量 DRV8701 VM 和 VCP 引脚上的电压？

如果 VCP 电压比 VM 高20V、则 DRV8701可能会损坏、那么我会替换 DRV8701

并在未连接电机的情况下再次测量电压。

此致、

Grzegorz  

这是奇怪的：我确定我使用与昨天相同的通道和探头设置(相同的衰减)测量相同的点、但今天我看到的是相同高侧 MOSFET 的栅源极电压为5至6V。 现在、我想知道这是一个示波器问题、或者芯片或 MOSFET 的运行方式是否不可预测。 无论采用哪种方法、我仍然可以看到栅极充电速度太慢、峰值电压低于预期的9.5V、可能没有足够的时间在每个 PWM 周期内达到9.5V。

VM 电压非常稳定、纹波非常小、在25.2V 下没有明显的尖峰(启动/停止电机或持续运行时)、VCP 具有大约1Vp-p 的纹波、平均电压为35.2V、看起来也非常稳定。 如果我再次看到高侧 GS 上的20V 电压、我将尝试在此处重新测量 VM 和 VCP 并发布图像。

在今天的测试之后、在 VM 引脚上添加额外的15uF 电容器似乎改善了运行。

Colin、

感谢您的更新。  电机是否按预期移动？