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[FAQ] 如何配置 IPROPI 和电流检测

Other Parts Discussed in Thread: DRV8876, DRV8874, DRV8873

在某些电机驱动器应用中,监控和测量流经电机的电流非常重要。TI 的多款电机驱动器具有集成电流检测功能,该功能支持通过专用 IPROPI 引脚进行电流监测。IPROPI 引脚可连接到微控制器的 ADC 通道以进行诊断,例如失速检测。下面的两个链接提供了有关电流检测工作原理以及集成电流检测为何优于传统电流检测方法的更多详细信息。该常见问题解答的目的是说明如何在具有集成电流检测功能的电机驱动器中配置 IPROPI,并介绍 IPROPI 的其他特性。

配置 IPROPI

DRV8876 和 DRV8874 是具有 IPROPI 集成电流检测功能的电机驱动器。以下配置过程以 DRV8876 和 DRV8874 为例,但一般过程可应用于大多数具有 IPROPI 引脚的电机驱动器。

  1. 为您的应用选择电流调节限制 (ITRIP)。输出电流超过限制后,驱动器会调节该电流。请注意,电流调节不同于过电流保护 (OCP),后者是一种安全功能,该功能在电流超过 OCP 阈值时禁用输出。查阅该常见问题解答,了解这两种功能之间的差异。如需获取有关如何选择 ITRIP 限制的帮助,请观看上面链接的 TI 高精度实验室视频。
  2. 确定 IPROPI 电阻器 (RIPROPI) 值,以便在控制器 ADC 通道的动态范围内正确检测来自 IPROPI 按比例缩小的输出电流。下面的公式可用于根据控制器 ADC 最大电压 (VADC)、ITRIP 和电流镜比例因子 (AIPROPI) 来确定 RIPROPI 值。建议选择容差为 1% 的电阻器,以便在性能和成本之间实现最佳权衡。该公式并非适用于所有集成电流检测器件,因此务必查阅器件数据表,了解有关如何选择 RIPROPI 的详细说明。

          RIPROPI(kΩ) ≤ VADC(V)/(ITRIP(A)*AIPROPI(µA/A))

  1. 使用下面的公式选择 VREF 值。请注意,ITRIP 是根据 VREF 和 RIPROPI 进行配置的。RIPROPI 是固定的,但 VREF 可以通过 DAC 或其他方式来调节 ITRIP 限制。确保 VREF≤VADC,以便 ITRIP 保持在所选值以下。

VREF=RIPROPI*(ITRIP*AIPROPI)

IPROPI 读取电流信息

下面的第一个图显示了电机驱动器输出端子的电压波形 (VOUT) 和 IPROPI 引脚上的电压 (VIPROPI)。  根据 VIPROPI 测量值,可使用以下公式来计算实际输出电流。同样,该公式可能因器件而异,因此请查阅数据表,了解如何计算输出电流。

IOUT=VIPROPI/(RIPROPI*AIPROPI)

IPROPI 引脚可以直接连接到微控制器的 ADC 通道以读取 VIPROPI。使用上面的公式,固件可以根据所需的功能对特定电流水平做出响应。确保 ADC 采样率适合所需的电流检测应用。

IPROPI 波形可分为两个阶段。驱动阶段在 H 桥处于其驱动阶段时发生。在该阶段,VIPROPI 测量值对应于从功率 MOSFET 的漏极流向源极的电流。在某些器件(如 DRV8873)中,电流镜电路监控两个高侧 FET 中的电流。不过,在其他器件(如 DRV8874 和 DRV8876)中,电流镜电路监控两个低侧 MOSFET 中的电流,并且仅当电流从漏极流向源极时测量值才有效。因此,请查阅器件数据表,了解器件是否仅监控高侧或低侧 FET 中的电流。当 H 桥进入低侧慢速衰减、高侧慢速衰减或同步/异步快速衰减时,即进入衰减阶段(请查阅该应用手册,了解有关 H 桥衰减的更多信息)。根据所选的衰减模式(请查阅器件数据表,了解器件支持的衰减模式),电流检测不一定可用。如果选择了低侧慢速衰减,则可以进行电流检测(仅适用于具有低侧 MOSFET 监控功能的 DRV8876 和 DRV8874 等器件),因为至少有一个低侧 FET 的电流将从漏极流向源极。如果选择了高侧慢速衰减,则电流检测仅适用于具有高侧 MOSFET 电流监控功能的 DRV8873 等器件。如果选择了同步/异步快速衰减,则在此期间不能够进行电流检测,因为两个低侧或高侧 MOSFET 都不会有电流从漏极流向源极。

DRV8876 和 DRV8874(仅具有低侧电流监控功能的器件)的 VOUT 和 VIPROPI 波形

IPROPI 的其他特性

从驱动器读取启用输出的输入命令到 IPROPI 显示有效测量值之间存在延迟。下图显示了该延迟(标记为 t_delay)。该延迟是由通过电流检测电路的内部元件传播的信号引起的。

下面的波形显示了由两个垂直游标标记的 IPROPI 延迟。请注意,IPROPI 电压将在启用输出后的某个时间转换为其终值。

在驱动器接收到禁用输出的命令后,IPROPI 信号将很快禁用。如下面的示波器图像所示,IPROPI 信号在 IN 变为低电平后很快下降至 0V。如波形中的两个垂直游标所示,尽管电机电流为非零值,V_IPROPI 仍为 0V。内部电路的设计使 IPROPI 输出在输入引脚接收到禁用输出的命令时禁用,而不是在 FET 完全关闭时禁用。 

另一个重要特性是,IPROPI 信号延迟和 IPROPI 压摆率取决于功率 MOSFET 导通电阻 (RDSon) 和输出电流 (IOUT)。IPROPI 电路末端有一个内部放大器,用于比较 H 桥功率 MOSFET 源极的电压 (PWR_S) 和电流镜 FET 源极的电压 (SENSE_S)。下面是该放大器的简化原理图。SENSE_S = VM – I_PROP*R_sensefet,其中 I_PROPI 是流经检测 FET 的电流,R_sensefet 是检测 FET 的导通电阻。同样,PWR_S = VM - I_mot*R_pwrfet,其中 I_mot 是流经功率 MOSFET 的电机电流,R_pwrfet 是功率 MOSFET 的导通电阻。如果放大器正负端子之间的电压差 (V_dif = PWR_S - SENSE_S) 为低电平,则放大器输出将需要更长的时间才能达到其终值。另一方面,当 V_dif 为高电平时,放大器输出将花费更少的时间来达到其终值。因此,如果电机电压或功率 MOSFET 的导通电阻较低,IPROPI 延迟和压摆率将较高。下面是使用 DRV8873 时低电机电流和高电机电流的波形示例。请注意,FET 的导通电阻在这两种情况下是相同的,但电机电流经过了调整。您可以观察到,当电机电流较低时,IPROPI 延迟和压摆率大得多。   

60Ω 负载(通道 1IN,通道 2:电机电压,通道 3IPROPI,通道 4:电机电流)

10Ω 负载(通道 1IN,通道 2:电机电压,通道 3IPROPI,通道 4:电机电流)