[参考译文] LM5109A：BLDC 电机控制器问题

您好 Sarira、
感谢您关注 LM5109A。 我是 TI 高功率驱动器组的一名应用工程师、将致力于帮助解决您的问题。
我会就申请的细节提出一些问题，以便提出解决问题的建议。
要确认 LM5109A 是否在建议的工作范围内运行、您可以确认一些应用详细信息。
LM5109A 的 VDD 电压是多少？ 功率 MOSFET 半桥级、高侧 FET 漏极电压的 VIN 是多少？ LM5109A LI 和 HI 输入的输入振幅？
您能否提供组件详细信息、最好提供驱动器组件和电机驱动 MOSFET 的原理图。
LM5109A VDD 与 VSS 之间的电容值？ 从 HB 到 HS 的 LM5109A 电容器值？ 驱动器输出到 FET 栅极的电阻值？ 自举二极管器件型号？ 与自举二极管串联的电阻值？
您是否有运行中的电机驱动半桥的波形？
您能否在同一图中提供 LM5109 HS 到接地、HI 到接地、HO 到接地和 LO 到接地的波形？ 在同一个图中、LI 接地 LO 接地、HI 接地、HO 接地。 采用时间刻度来查看几个周期、并能够查看 HO 和 LO 输出之间的死区时间。
有许多问题可能会导致 MOSFET 失效、进而导致驱动器故障或驱动器无法正确响应、进而导致 MOSFET 故障。
确保并查看峰值电压波形和 VDD、LI 和 HI 是否在驱动器额定值范围内、以及 MOSFET VDS 峰值电压是否在额定值范围内。 在较高的工作频率和反向条件下、动力总成峰值电压可能会增加。 驱动器输入的时序冲突(死区时间不足)也可能仅在您提到的条件下发生。

此致、
Richard Herring

您好 Richard、

感谢您的快速响应。

请参阅我的电机控制器电路。

以下是您的问题答案：

LM5109A 的 VDD 电压是多少？ 12V

功率 MOSFET 半桥级、高侧 FET 漏极电压的 VIN 是多少？ 24V

LM5109A LI 和 HI 输入的输入振幅？ 5V
LM5109A VDD 与 VSS 之间的电容值？ 10 μ F

从 HB 到 HS 的 LM5109A 电容器值？ 10 μ F

驱动器输出到 FET 栅极的电阻值？ 22欧姆

自举二极管器件型号？ 1N4148

与自举二极管串联的电阻值？ 无电阻器

MOSFET 是来自 International Rectifier 的 IRFU3706。  

死区时间没有问题。 我看了波形，这方面没有问题。

我刚损坏了另一个驱动程序。 MOSFET 正常。 驱动器的高侧出现故障。  

e2e.ti.com/.../BLDC-motor-control.docx

 

 

 

 

 

 

您好 Sarira、

感谢您的更新。 我与 Richard 一起工作、并将通过这个主题为他解答您的问题。

由于其中一个半桥驱动器的高侧发生故障、并且您使用的自举值未根据数据表进行优化、这可能意味着在某种程度上超出了 HB–HS 节点额定值。

HS 驱动器在测试中的哪个点完全失败？

 HS 驱动器 如何发生故障、输出对地短路？

自举二极管是否也损坏？

开关频率是多少？

我看到 VDD 和 HB 电容值在10U 时相同。 如果确实如此、(在无 VDD 电源且仅具有12V 充电 VDD 电容的情况下)当 HB 电容从0V 充电至 VDD 时、它只会达到大约6V、 因为从 VDD 电容器的浪涌电流中获得的 HB 引脚上的相同充电电压表现为 VDD 电容器上的相同骤降。 因此、VDD 电容上的压降和 HB 引脚上的电压将是 VDD 电压的一半。 还有一种情况、即如果在一个周期内不为自举充电、则会强制对引导二极管进行换向、从而使用过大的自举电容器。

在 LM5109a 数据表的第11页、第8.2.2.1节将指导您如何选择引导电容器和 VDD 电容器。

它使用的方法是找到引导加载需要提供的每个开关周期所需的总电荷、并找到引导加载要经历的最小允许压降。 (由于自举泄漏电流和静态电荷仅为1nC、因此仅考虑总栅极电荷)

当最大栅极电荷为35nC (Vgs 为4.5V)=>当 Vgs 为12V 时、最大栅极电荷为93.3nC (IRFU3706)。 启动电容应为总电荷除以纹波阈值电压或｛VDD–VF–V_HB_FALLING_UVLO_THRESHOLD｝。 在您的情况下使用12V 的 VDD 和~93nC 的最大栅极电荷、所需的最小 Cboot 为93.3nC/4.3 = 21.7nF

一个更保守的值表明、引导电容器的电压下降不应超过用户定义的纹波应该允许的值、其中0.5V 是一个保守的引导纹波值。 因此、93.3nC/0.5V 产生~200nF Cboot。 100nF 数据表中建议的 Cboot 就足够了。

谢谢

尊敬的 Jeff：

感谢您的回复。 我了解您关于没有优化 Cboot 的观点、并查看了数据表、其中介绍了 HS 负电压。 但是、我有一个问题、即 HB -HS 电压应保持在15Vdc。 这是否意味着即使 HB 和 HS 的电压都高于零伏、也不应超过15V？ 提出这个问题的原因是、当我的 Cboot 在低侧导通期间充电时、HB 和 HS 之间的电压差可高达18V。 当 Cboot 为10uf 和100nF 时会发生这种情况。 我使用了这两个值。

以下是您的问题的答案：

HS 驱动器在测试中的哪个点完全失败？ 故障是随机的。 当电机运行速度更快(最大占空比为17%、因此速度不是很快)时、它会以更高的速率持续运行并停止。 此应用的性质是、当标签送入时、电机开始从标签卷中取出额外的衬垫、当标签送入完毕时停止。 当电机被触发以更高的速率启动时、例如每400ms 发生一次故障。

 HS 驱动器 如何发生故障、输出对地短路？ 否、这并不是对 GND 的硬短路。 由于 HO 处的电压不足、它开始失效、然后导致 HO 和 HS 之间短路。

自举二极管是否也损坏？ 否、有时相应的 MOSFET 会损坏。

开关频率是多少？ 开关频率为23KHz、最大占空比为17%。

如果我为自举电容器使用100nF、您是否建议为 VDD 旁路电容器使用1uF？

您好 Sarira、

感谢您分享您的发现！

一般经验法则是 Cboot 为10xQ_GATE _TOTal/VDD、VDD 电容为10xCboot。 数据表中的值很好。

我也有一些问题、

我很想看到您看到的内容。 我能看到 HS-VSS、LO-VSS 和 Ho-HS 吗？

您能告诉我发生故障时 HO 上的电压是多少吗？ 如果 HO 在故障期间下降(仅限高侧打开–在高侧关闭期间、HO 被带到 HS 并假定 HS 的电压)、则这当然意味着上升时间较慢。 负 HS 瞬态也可能导致高侧导通 Vgs Miller 转换延长、从而导致高侧驱动器的工作增加。

 根据我的理解、HO 具有低电压且 HB-HS = 18V 是并发故障？

 一旦 HS 开关关闭、SW 节点将通过 LS 体二极管换向被强制接地、并且自举开始充电。 它将快速充电。 这种立即将开关节点发送到接地的快速动作会受到开关节点电感的反应、当它在 HS 关断后接地时、死区时间内存储的(CCM)电流开始通过 LS 体二极管自由流动。 来自 HS FET 源极和 LS FET 漏极的电路板电感可能会导致开关节点拉低至低于 LS 体二极管的正向压降、并且会受到 HS 上的 di (或 v)/dt 的影响。

对于 LM5109A：

HB - HS 差分额定电压始终受最大18V 的限制。

对于负瞬态、HS 受 VDD 限制–15V ->对于12V VDD、HS 不能超过-3V

 (以及小于50V/ns 的压摆率)

如您所说、HB–HS 上升至约18V。 这可能是因为 HS 节点短暂地下降至-3V、并在此期间对自举进行过充、在该期间、电荷在 HS 开关打开之前不会发生任何变化。

可通过添加一个与引导电容器并联的齐纳二极管来钳制引导电容器电压、以限制充电时的过压。 如果 FET 也受到损坏、该 HB 过度充电电压有时可能足够小(<18V)、使 LM5109A 能够驱动、但过大、FET 栅极无法长时间处理。

我还注意到、您使用的 FET (IRFR3706)的数据表额定值为+-12Vgs、VDS 为20V。 这假设您使用的是 VDD=12V 和 VDRA=24V。

谢谢

尊敬的 Jeff：  

感谢您的回复。  

我无法告诉您故障时的 HO 电压是多少、因为我无法故意使故障发生、也无法记录故障。  

请以红色显示我对您问题的回答：

根据我的理解、HO 具有低电压且 HB-HS = 18V 是并发故障？ 我不知道、但在故障发生后、我可以看到 HO 信号与 HS 保持相同。

当我尝试获取您要求的波形时、我注意到了一些与您提到的 Cboot 上的电压上升到18V 以上相关的问题。 我已附加下面的图像(Cboot)。 正如您在此图中看到的、Cboot 电压大约为20.8v。 此时、HO 上有零电压、该极上有 HS 电压。 当电机通电但无法移动时、会发生这种情况。 当电机无法移动且一个极点的 LS MOSFET 导通且另一个极点的 HS MOFET 对 处于 LS MOSFET 导通状态的极点的 Cboot 电压进行 PWM 处理时、会将该电压充电至该电压。 当 PWM 至 HS 关闭时、它下降至10V。 请注意、在 H 桥中、PWM 应用于高电平、5VDC 应用于 LI (无 PWM)。

您认为这会导致故障吗？ 这种情况很常见(在输入每个标签后)是否可以放置齐纳二极管来解决此问题？ 您可以推荐器件型号吗？

另请参阅您要求确定的信号。 我不确定您需要看到的 HS 或 LO 信号的哪个部分。  

我不完全理解您对我正在使用的 FET 的评论。 根据数据表、Vgs 的额定电压为+-20V、Vds 为75V。

e2e.ti.com/.../Cboot.docx

 您好 Sarira、

因此，HB-HS 已证实 HB-HS 超过18V，因为 HS 为0V，这是我们开始解决方案的理想的第一选择。 考虑到 HB 的波形、它在充电至~21V 之前具有40V 峰值、持续数十 ms。 这是导致故障的问题。

当您说： “当电机通电但无法移动”–这是否意味着半桥的高侧 FET 之一是电机的 PWM 电压，而其中一个低侧 FET 将消耗所有电机能量(而电机突然停止)？

我想了解的一点是、我们为什么会在 HB 上看到如此高/长的振荡。

自举可能会看到开关节点电感的耦合振荡、因为它与极电流处于相同的充电路径中、当电机停止并且开关节点遇到 HO 关闭和 LO 打开时的高 dv/dt。 当 LO 打开时、续流电流会继续、并且会在电机停止移动后立即干扰自举充电电流路径。

因此、为了防止自举过度充电、我们需要在自举首次开始充电时限制进入自举的电流。 最简单、最便宜的方法是使用自举电阻器、但有更好的方法来解决此问题。 如果自举电阻器解决了该问题、则该电阻器的值应足够小(5-10欧姆)、以免增加自举电容器充电时间常数。 该电阻器的位置会因您是否还需要齐纳二极管而异。

如果需要 TVS 二极管或齐纳二极管、则可以将其添加到两个位置、由于您只关心下冲或过冲、而不是两者都在开关节点上、因此我们只需要一个齐纳二极管即可实现单向保护。

可以与引导电容器并联以处理过冲、也可以将齐纳二极管从 HS 引脚连接到 GND 以分流下冲电流。 如果使用后者、则在 HS 引脚和 HS 节点之间重新放置栅极电阻器将实现双重目的-上升/下降时间延迟以及自举充电电流限制甚至下冲电流限制器。 我们正在寻找一个具有大约高于24V 的足够击穿电压和低电流(高频时的低值电容)下拐点的齐纳二极管、以快速分流负瞬态电流、从而使开关节点恢复到 GND。

让我明天再与您讨论一个更好的推荐齐纳二极管。 从 DigiKey 的第一个浏览中可以看到许多不同的选项、我包含了一个链接、其中介绍了如何缩小搜索范围-> Digikey-link-click-here

 

 谢谢

Jeff、

抱歉、我没有正确解释它。 我应该提到过、当电机运行时、您在 HB 上看到的尖峰实际上是 PWM 信号(示波器的分辨率未达到空穴信号)。 尽管 HB 为40V、但 HB-HS 为 about10V、因此 HB-HS 保持在范围内。 请参阅随附的了解波形。 我想问题是当 HS 为零、HB 约为21V 时。

要回答有关电机应用的问题：是的、在 HB 向21V 充电的时间内、一个 HS MOSFET 处于 PWM 模式、另一个 LS MOSFET 处于导通状态。 使用电机的应用如下：当有额外的衬套时、电机开始运行、如果时间是固定的、则电机开始运行。 衬套张力可能会在半个时间内变紧、但电机仍在运行、因此轴无法旋转(类似于电机失速)  

既然40V 时的振荡不是问题、您是否仍然认为 HB 上的21V 导致了故障？  

我仔细阅读了您的建议、这是我理解的内容。 我必须限制进入 Cboot 的电流以解决该问题。 我有三种方法来实现这一目的：

1. 添加 一个自举电阻器：5-10欧姆自举电阻器。  
2. 添加与 Cboot 并联的齐纳二极管：齐纳击穿电压高于12V VDD
3. 在 HS 引脚与 GND 之间添加一个齐纳二极管。 然后将栅极电阻器(我的原理图中为22欧姆)从 HO 栅极移动到 HS 源极：齐纳击穿电压高于24

这些方法中的任何一种都比另一种更好。 对我来说、最简单的方法是添加一个与 Cboot 并联的齐纳二极管。 我添加了一个12V 齐纳二极管、看起来它会将 HB-HS 钳位到12v。  

我还担心 HS 引脚上的负瞬态。 正如您在我之前的图像中看到的、它在非常短的时间(几 ns)内达到大约-10V。 问题是、如果我将 Zender 与 Cboot 并联、它会防止下冲吗？ 或者、我是否也应该使用第三种方法来解决这个问题。  

该电路目前在我们的生产单元中使用、我需要尽快解决该问题。 我是否可以通过电话或电子邮件直接与您联系？ 感谢你的帮助。

e2e.ti.com/.../Cboot_5F00_2.docx

Jeff、

感谢您的回复。
我将按照您的建议执行操作、并在明天进行测试。
我理解您对使用电阻器阻止 Cboot 过充的想法、但考虑对我们已经使用与 Cboot 并联的齐纳二极管的所有电路板进行返工、我们的成本更低。 与添加我必须进行切割和跳跃的电阻器相比、我们可以轻松地在 Cboot 上对二极管进行回扫。 如果我使用12v 齐纳二极管而不是 Rboot 来阻止 Cboot 过充、是否可以？
我还将在 HS-GND 上放置肖特基二极管并对其进行测试。 我将告诉您这是如何实现的。

您好 Sarira、

听起来不错、替代 Rboot 的齐纳二极管也可以工作、由于自举电阻器会增加功率耗散、因此这些差异甚至可能有利于您。 我只建议 Rboot、因为它的成本较低、但在您的情况下、所需的返工成本会更高。 使用齐纳二极管和肖特基修复、让我知道会发生什么！

谢谢、

尊敬的 Jeff：

我将肖特基放置在 HS_GND 上、我的电机未移动。 如果我将它们取出、电机将照常工作。 请参阅我的电路。

我的齐纳二极管为12v、肖特基 PN 为1N5819HW。

请告诉我出错的地方。

谢谢、

Sarira

e2e.ti.com/.../motor-circuit-reworked.docx

您好 Sarira、

感谢您的更新、很遗憾听到这两种解决方案都不适合我们。

您已确认12V 齐纳二极管钳制自举电压而未对其进行过充、这是过充的修复方法。 尽管这不是我们必须使用此方法运行的最佳解决方案。 然后您添加了肖特基二极管、它根本不起作用。 这种情况的原因对我来说以前并不明显，现在我也不清楚。

如果 HS 具有负电压、则电流从 GND 流出、然后向上流动电流感应电阻器。 感应电阻器的正极侧是否能够变为负极？ 放置肖特基二极管不会阻止 LS FET 的源极或电流感应电阻器的正极侧变为负极。 将肖特基二极管直接放置在 LS 漏极和源极之间仍会在电流感应电阻器的正极侧显示负电压。

这些修复程序似乎不想一起工作，但是根据我的理解，每个修复程序都是单独工作的？ 肖特基是否在没有齐纳二极管的情况下消除了下冲？ 如果是、是否可以/轻松地将启动充电电阻器放置在另一个位置(HS 路径或 HB 路径)、以简化返工？

我认为我们需要弄清哪个问题是最糟糕的、然后从那里解决。 修复下冲是否有助于过充？ 反之亦然？ 修复程序最有效、让我们保留它、然后找到该修复程序周围的其他修复程序。 如果这两个修复程序单独运行正常、则哪一个修复程序可以更好地帮助解决另一个问题？

我还没有提到一个可能的解决方法、就是在 HS-GND 上放置一个缓冲器。 但这不会消除下冲、但会抑制振荡、从而可能缓解该问题。 如果齐纳二极管是 Cboot 上必须使用的器件、这可能值得一试。

您是否认为此问题与反电动势有关？
您能不能详细介绍一下您实施的 PWM 技术吗？
电机使用了多少电流？

谢谢

尊敬的 Jeff：

很抱歉耽误你的回复。 我周五整天都在弄清楚我的电路有什么问题。

当我在前面提到过我的电机未转动时添加了肖特基二极管。 事实证明、添加肖特基二极管后电流感应电路电压增大、而我的 PWM 在关闭时会想到发生短路。 电流感应电路连接到我的微控制器、并基于与参考值进行比较的读数、我的 PWM 会终止输出。 如果我增加基准值、电机运转正常、但我无法解释为什么电流感测电压会通过添加肖特基二极管增加。 我还尝试将 RGate 移动到 HS 引脚、它也执行同样的操作。  

我面临的另一个问题是、当我使用1N5819W (1安培)时、二极管会死。 就像额定电流很低一样。 它甚至在将 RGate 移动到 HS 引脚后消失。 我认为这会限制 流入二极管的电流。 我只有一个3安的二极管、我接下来尝试过、这个二极管不会死。  

我很困惑、无法解释为什么会发生这些事情。 我仍然认为需要肖特基二极管和齐纳二极管、但我可以计算电路中发生的情况。 肖特基二极管在 HS 上经历下冲。

谢谢、

Sarira

您好 Sarira、

感谢您的回复、感谢您的努力！

您提出了一个好问题、直觉指出电流感应电阻器具有更大正电压的唯一方法是电流下降到 GND、从而产生更大的压降。 如果确实如此、我们还知道 SWnode 上的负电压将正向偏置肖特基、并从 GND 产生电流。 由于肖特基和电流感应电阻器是并联的(LS 打开)、因此肖特基上的向上/正向电流意味着通过电流感应的向下电流和更高的电流感应电压。

另一种说法是，当 SWnode 发生下冲并且 LS 处于打开状态时，寄生电流路径所遵循的 SWnode 上存在的基本电路为…GND->肖 特基->LS->Current sense ->GND…

现在1A 肖特基二极管在长时间使用后消失、因此您必须切换到3A。 由于 i=CDV/dt、并且、为了从 GND 获得1A 电流(电流来自 FET 输入电容以及来自负载和续流电流的寄生电感；如果 Ciss=~8nF 和-10 dV)、您会看到~<100ns 的 dt 达到峰值下冲1A。

HS 引脚上的 Rgate (RHS)很有用、因为它允许您组合自举电阻器的效应、并将导通/关断电阻器导通/关断为位于所有3个电流充电/放电路径路径路径中的一个电阻器。 但是、可能会产生不可预见的负面影响、从而在 HS 引脚和 HS 节点之间产生电压差。 如果在 HS 上放置电阻器不会限制该下冲电流、从而使其过大、则会增加此风险。

也许、如果我们能够找到 Rgate (仅用于开/关时间)和 RHS (仅用于限制下冲电流和启动电荷)的最佳组合、或者至少在我们开始看到来自该 HS 电阻器的效应之前。 然后、我们可以添加齐纳二极管或肖特基二极管、具体取决于过充或下冲是否更糟。 最后、担心另一个问题。 我想、如果我们优化 RHS…、就不需要齐纳二极管；在这种情况下、如果我们添加没有齐纳二极管的肖特基二极管、我们在电流感测上仍然会获得更高的电压？

谢谢、

尊敬的 Jeff：

很抱歉耽误您的回答。 我忙于测试我的电路。

为了向您提供更新、我认为将 Rgate 移至 HS 引脚无助于肖特基电流是错误的。 它实际上是这样。 我对电路板进行了返工并在 HS-GND 上放置了40V、1A 肖特基、并将22 Ω Rgate 移至 HS 引脚。 一切都在正常工作。 电流感应电压甚至与以前相同。  我也不需要齐纳二极管。 我的电压都在范围内、没有下冲。 HS 引脚始终保持比接地低0.5V。 我从昨天开始测试我的应用、到目前为止没有任何问题。 我仍然需要做更多的测试。  

感谢你的帮助。

Sarira

您好 Sarira、

我刚开始想念你:)

我很高兴听到您的最新消息。 谢谢、我很高兴听到我们的辛勤工作带来了一些好的结果。 如果您对电压不满意(-10至0.5大约令人惊叹)、或者在经过更多测试后有任何其他问题、请告知我、以便我能提供进一步的建议！

谢谢！