[参考译文] UCC27211：低温时 HO 和 LO 丢失脉冲

您好 Raymond、

感谢您关注 UCC27211。 我是 TI 高功率驱动器组的应用工程师、将帮助解决您的问题。

原理图和示波器波形是有助于解决问题的有用信息。 我确实需要从原理图和波形中确认一些信息。

根据第一个示波器图上的 LO 波形、VDD 看起来像是~12V、LI 和 HI 看起来是~3.3V pk。 您可以确认吗？

在原理图上、我还看到功率 MOSFET 为 BSC070N10N55。 我无法找到确切的数字数据表、这是 BSC070N10NS3还是类似产品？

在您显示1V/div 时 VH 电压的第三个示波器图上、这是 VHB-VHS 高侧偏置吗？ 您能否确认测量 VH、差分或接地、以及 IC 上的哪个引脚？

根据 HO 输出的行为、这可能由 HB-HS 高侧偏置上的 UVLO 引起。 UVLO 延迟时间可以在示波器图中所示的范围内、这取决于 HB 引脚上的两个电压电平(纹波的高低电平)。

如果第3幅图上的 VH 电压是 VHB-VHS 偏置纹波电压、这看起来确实是相当高的纹波。 VDD 电容器和 VHB 电容器的放置和布局对于正常运行非常重要。 确保 VDD 电容靠近 IC 放置、并使用尽可能短的走线连接到 VDD 和 VSS 引脚。 对于 VHB 至 VHS 电容器、同样的建议、应尽可能靠近 IC 放置、并使用短走线进行连接。 作为故障排除措施、您能否使用 C1075 (自举电容器)值100nF 进行测试？

在示波器图中、LI 和 HI 输入上似乎有明显的高频振铃、这可能是 由探针中引入的噪声引起的。 在实际驱动器输入端可能存在高频噪声的情况下、我建议尝试向输入引脚 LI 和 HI 添加小旁路电容。  尝试将22pF 至33pF 放置在靠近 UCC27211输入引脚和接地的位置。 高频错误触发可能会导致自举电容器意外放电。

此时 LO 延迟开启的原因尚不清楚。 您能否提供一幅用于捕获峰峰值的刻度上的 HS 引脚接地电压示波器图、以及用于查看接地负电压的扩展刻度图？

此致、

Richard Herring

您好 Richard、

感谢您对此进行深入研究。

我可以确认 VDD 为12V、LI 和 LO 由3V3驱动。

功率 MOSFET 和整流器为 Infineon BSC070N10NS5。

 在第3幅图中、实际上是具有接地端的 HS 电压(即 VHS 到 GND)。 我没有使用差分探头、我使用了一个500MHz 探头和一根非常短的接地线(近距离探头技术)。 测量是在距离 UCC27211 IC 约2mm 的 D705二极管上进行的。 我的目标是准确检查 HS 引脚接地的负电压。

VDD 电容器(C703)和自举电容器(C1075)放置在 IC 的2至3mm 范围内。

我曾尝试将 VDD 电容器 C703从1uF 增加到4.7uF、但我仍然可以重复该故障。

我曾尝试将自举电容器 C1075从47nF 增加到100nF、但它仍然可以重复该故障。

我还没有尝试在输入信号上输入22pF 到33pF 的值、接下来我将尝试执行此操作。

之前的示波器迹线是 HS 引脚接地电压(CH5)。 第二条示波器迹线显示 HS 引脚的峰值电压约为52.4Vmax。 第3个示波器迹线显示 HS 引脚接地的最小电压约为-1.24Vmin。

谢谢你。

此致、

Raymond

只是一个更新：我尝试在输入信号 HI 和 LI 上放置33pF、但我仍然可以重复该故障。

您是否认为高 dv/dt 噪声可能耦合到 UVLO 电路中？

您 是否期望 -ve 电压超过 HS 引脚的额定值会导致我看到的问题、或者更有可能对 IC 造成灾难性损坏？

谢谢你。

此致、

Raymond  

您好 Raymond、
感谢您的更新。 驱动器输入端的噪声是驱动器输出意外行为的常见原因、因此输入引脚上的滤波电容通常值得研究。

根据布局布线长度和寄生电感、驱动器 VDD-VSS 和/或 HB-HS 引脚上可能存在高频成分、从而可能触发 UVLO。 要确认这一点、请确认 VDD 电容器是否靠近 IC 放置且与 IC 引脚之间的走线长度非常短、并使用 HB-HS 自举电容器确认这一点。 尝试将 VDD 电容和 HB 电容尽可能靠近 IC 引脚放置、并进行实验。
VDD 和 HB-HS 的旁路电容器应采用优质陶瓷电容器、建议使用 X7R 电容器。 为了衰减 HF 信号、通常建议添加一个频率更高的自谐振的1000pF 并联陶瓷电容器。

关于 HS 引脚上负电压的行为、驱动器输出状态的错误行为可能会伴随过度的 IC 引脚下冲而发生、不一定会立即导致 IC 故障。
我看到 R724和 D705应限制 HS 上的负电压。 确认 D705的位置尽可能靠近 IC 引脚。 您能否确认 HS 上的负电压电平、并确认它是否在<100ns 内满足数据表限制-(24V-VDD)？
另一个尝试在驱动器引脚上进行过冲和下冲的实验是添加小型1A 肖特基二极管、以将 LO 钳位到接地和 VDD、并将 HO 钳位到 HS 和 HB。 使用靠近驱动器 IC 引脚的小型封装器件。 将一个二极管的阳极连接到 LO、将阴极连接到 VDD、将另一个二极管的阳极连接到 VSS、并将阴极连接到 LO。 以相同的配置将二极管连接到 HO、HB 和 HS。
这将有助于确定驱动器输出过冲或下冲是否是问题所在。

此致、
Richard Herring

您好 Richard、

感谢您的回答。

下面是布局、Vdd CAP 和 bootsctrap CAP 非常接近 IC：

接下来、我将尝试在 HO 和 LO 输出上添加二极管。

关于 UVLO 故障、您能告诉我器件恢复时间的粗略数字(UVLO 清零的时间、即可以再次触发 HO/LO 输出的时间)。

谢谢你。

此致、

Raymond

您好 Richard、

这是进一步测试后的更新。

我已经尝试将一个1nF X7R 0402电容器与 VDD 电容器并联、并将另一个电容器与自举电容器并联。 但是、我仍然可以重复这个问题。

我尝试放置 PMEG6010 schotkky 二极管以将 HO 钳位到 HB 和 HS、并将 LO 钳位到 VDD 和 GND。 但是、我仍然可以重复这个问题。

我已经捕获了 HS 引脚到 GND 的一些其他示波器走线。

无故障测试@环境温度：
CH1=MOSFET Vgs    CH2=整流器 Vgs    CH3=HS 电压接地(闭合探针技术)    CH4 =转换器 Vout
放大后的布线显示了 MOSFET 导通期间 HS 电压 Vmin=-0.95V 的持续时间约为25ns。 (您无法看到整个电压、因为我重点介绍了负部分)

当我通过在回路中喷洒冷冻机来引发问题时、我捕获了另一条迹线。
CH1=MOSFET Vgs    CH2=整流器 Vgs    CH3=HS 电压接地(闭合探针技术)    CH4 =转换器 Vout
放大后的迹线显示、在发生故障的导通期间、HS 电压 Vmin=-1.09V 的持续时间约为25ns。

作为另一项测试、我对 D705使用肖特基二极管 PMEG6010 (而不是 BAS316)、然后捕获另一条迹线、同时引发冰箱喷雾故障。
CH1=MOSFET Vgs    CH2=整流器 Vgs    CH3=HS 电压接地(闭合探针技术)    CH4 =转换器 Vout
放大后的迹线显示、在发生故障的导通期间、HS 电压 Vmin=-0.83V 的持续时间约为25ns。 尽管负电压在技术规格范围内、但我仍然可以重复这个问题。

即使 HS 引脚电压处于 其负电压额定值内、UCC27211似乎仍会出现错误行为。 我可能无法准确测量负电压、但我确实看到、负电压通过肖特基二极管按预期降低。

根本原因的下一个假设可能是 HS 引脚的 dv/dt 额定值。 我在问题发生期间捕获了开关节点 dv/dt。
CH1=MOSFET Vgs    CH2=整流器 Vgs    CH3=HS 电压接地(闭合探针技术)    CH4 =转换器 Vout
使用光标、我将导通的 dv/dt 测量为32.1V/0.0044us=7.30V/ns。 这在50V/ns 的额定值范围内。

在没有故障的环境条件下、开关节点的 dv/dt 在大约5.64V/ns 时稍慢一些。
冻结电路可加快开关速度。

为了解决该问题、我在开关节点上添加了一个 RC 缓冲器、该缓冲器可将 dv/dt 减至 约3.80V/ns。
缓冲器未降低 HS 引脚上的负电压、 在不使用缓冲器的情况下为-0.95V、在使用缓冲器的情况下为-0.96V。 它实际上是相同的。

我看 了 TI 的培训视频(链接如下)、他们说、高 dv/dt 可能会导致故障。 我想知道您是否认为这与视频中描述的问题相同、或者您是否了解故障根本原因的更多详细信息。 它所讨论的是另一个 IC、但我不确定 UCC2721111的内部电路是否与此类似。 请您参考、我没有将 GND 和 PWRGND 分开、我对所有接地都使用大接地平面。

https://training.ti.com/gate-driver-training-series-gate-driver-operation-high-dvdt-and-didt

 

谢谢你。

此致、

Raymond

 

您好、Raymond、

我将为 Richard 加油、因为他是 ooo。

您是否在整个测试过程中保持输入滤波器开启、以清除从开关节点耦合回输入的噪声？ 也许我们需要将所有修复合并为一个(找到最佳修复-然后重新放置缓冲器和滤波器以获得更好的修复)。 由于这是一个降压转换器、电感器电流会密切反映负载电流、而随着负载电流的增加、栅极驱动充电环路和输出滤波器环路会共享开关节点、从而增加寄生效应相互作用的可能性、 通过使用低 ESR MLCC 类型和多个不同尺寸的电容器、也可以在输出端对其中一些噪声进行滤波。 这将按照培训中的建议清理 GND 和 HS 基准。

对于 UVLO、有一个对称 UVLO 电路可确保高侧和低侧同时关断。 对于 VHB UVLO、仅禁用高侧。 我将了解 UVLO 故障恢复时间是多少、并告知您。

由于您的测量距离 HS 上50V/ns 的最大压摆率很远，因此这似乎不是问题，但查看示波器镜头却是相反的，可能会违反此规范，并会出现所有不必要的振铃。 当高侧导通时、会发生该问题、其中 HS 引脚上的环比 Vgs 小、但 HS 引脚上升不单调、这似乎是一个很好的焦点、可以开始根本原因。 您能否使用更大的栅极电阻器值来减缓上升时间并查看会发生什么情况？ 如果我们可以降低 HS 上的 dv/dt、那么我们应该能够防止 HS 节点上的振铃到达 HS 基准引脚、从而触发后续的丢失脉冲。 另一种实验方法是减小自举电容的值、从而减小该电容可提供的电流、从而降低自举电容的驱动能力(但不一定降低该电容也可能承受的 dv/dt)。

谢谢、

您好、Jeffery、

感谢您对此进行深入研究。

我已经按照建议将自举电容器从47nF 降低到22nF、从而完成了更多测试、但我没有看到波形有太大差异、我仍然可以重复这个问题。

CH1=Vo、 CH2=HB wrt 接地、 CH3=HS wrt 接地、 CH6=MOSFET 的 Vgs、 M1=数学函数 CH2-CH3 ie：HB wrt HS。
我使用了 非差分无源探测和小型接地线(近距探测技术)来测量 HB 和 HS、希望消除所有测量噪声。

下面的屏幕截图是使用47nF 自举电容器、当我用冷冻剂喷雾时、在故障期间触发了自举电容器。
HS dv/dt = 26.1V/2.2ns = 11.86V/ns。
HB-HS Vmin = 7.33V。
我认为这在上栅极的 UVLO 阈值范围内、即7.9V-1.1Vhyst=6.8V 阈值。

下面的屏幕截图是使用22nF 的低自举电容器、当我用冷冻喷雾喷雾时、故障期间会触发该电容器。
HS dv/dt = 26.8V/2.2ns = 12.18V/ns。
HB-HS Vmin = 7.33V。 这再次处于 UVLO 阈值内。

我还使用近探针技术来查看故障期间的 VDD 电容器电压、但 VDD-min=9.66、因此高于 UVLO 阈值。
通道2=VDD

现在、我将向您展示在开关节点上添加 RC 缓冲器前后开关节点的 dv/dt 差异。

 这是添加了缓冲器的波形：
CH1=MOSFET Vgs、 CH2=整流器 Vgs、 CH3=开关节点(整流器 Vds)、CH4 = Vo
开关节点 dv/dt = 16.7V/4.4ns = 3.80V/ns、上升时间= 0.015us。

这是不带缓冲器的原始电路：
dV/dt = 24.8V/4.4ns = 5.64ns、 上升时间= 0.01212us。
如您所见、原始开关节点波形 在顶部附近有一个轻微的额外振铃、但我不确定这是否会导致问题

谢谢你。

此致、

Raymond

您好、Raymond、

感谢您的回复。 此问题似乎是 HS 上的噪声问题、更重要的是 HI/LI。 您是否能够重新测试在 HI 和 LI 上施加更多电容、例如470pF 或1000pF、以消除一些噪声、从而进一步排除故障？

谢谢！

尊敬的 Jeff：

我已在 HI 和 LI 上重新测试了1nF、但我仍然可以重复该故障。

我已使用近探技术拍摄了 LI 和 HI 的示波器照片、以消除测量振铃。

不添加1nF 的原始电路：
CH1=Vo、CH2=HI、CH3=LI、CH6=MOSFET Vgs
使用闭合探针技术时、即使没有1nF 电容器也不会出现振铃。 您好、Vmin 大约为3.14V。

然后、我添加了1nF、以验证我仍然可以复制故障：
HI 和 LI 的斜升速度如预期的慢、仍然没有振铃、但仍然可以复制故障。

我相信我们可以排除 HI 和 LI 的噪音问题。

谢谢你。

此致、

Raymond

您好、Raymond、

感谢您的更新、我们可以排除噪声。 目前、我们假设器件高侧输出 HO 处于 UVLO 状态。 发生这种情况的原因是 HS 过冲使 HB-HS 下降到 UVLO 阈值以下。 在这种情况下、让我们首先看看 BOOT 47nF 和栅极/源极4.7nF 电容器。 这些电容器是 NPO 还是 X7R？ 您能不能尝试减小4.7nF 栅源电容和/或增大引导电容、分别测试每个栅极和源极电容以查看其影响、然后同时查看其作用。

谢谢、