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作者：類比半導(dǎo)體 2024年7月26日 摘要 在當(dāng)前新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的大潮中，中國汽車芯片的國產(chǎn)化進(jìn)程顯得尤為迫切和重要。隨著國家對自主可控技術(shù)的高度重視和支持，電機(jī)預(yù)驅(qū)技術(shù)正經(jīng)歷著一場深刻的變革。從早期依賴分立元件和繼電器的控制方式，到現(xiàn)在向高度集成化的IC解決方案轉(zhuǎn)型，這一轉(zhuǎn)變不僅響應(yīng)了市場對更高性能、更低成本、更小尺寸、更高安全性和更多元化功能的需求，同時(shí)也符合國家推動產(chǎn)業(yè)鏈自主可控、提升關(guān)鍵核心技術(shù)的政策導(dǎo)向。 上海類比半導(dǎo)體技術(shù)有限公司（以下簡稱“類比半導(dǎo)體”或“類比”）作為國內(nèi)領(lǐng)先的模擬及數(shù)模混合芯片設(shè)計(jì)商，成功設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了DR7808預(yù)驅(qū)芯片，不僅在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)了重大突破，更在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的性能和可靠性。DR7808預(yù)驅(qū)芯片以其優(yōu)化的集成度和增強(qiáng)的功能性，能夠輕松應(yīng)對當(dāng)前汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)，同時(shí)高效滿足客戶在多樣化應(yīng)用場景下的具體需求。 一、 八半橋電機(jī)驅(qū)動DR7808：應(yīng)對電機(jī)驅(qū)動的前沿挑戰(zhàn) 在新能源汽車領(lǐng)域，隨著車輛電氣化程度的加深，電機(jī)預(yù)驅(qū)技術(shù)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電機(jī)控制方法，如分立元件與繼電器的組合，逐漸顯露出局限性，無法滿足行業(yè)對高性能、成本效率、尺寸緊湊性、安全性和多功能性的新需求。在此背景下，類比半導(dǎo)體推出了DR7808八半橋電機(jī)驅(qū)動芯片，旨在解決行業(yè)痛點(diǎn)，推動技術(shù)進(jìn)步。 與國際競品相比，DR7808不僅全面覆蓋了基礎(chǔ)功能，更在支持4路PWM信號輸入、過流保護(hù)閾值的精細(xì)化調(diào)節(jié)、高低邊驅(qū)動模式的智能切換、上下管握手邏輯的強(qiáng)化以及離線診斷與在線電流檢測等多個(gè)方面進(jìn)行了深度優(yōu)化和增強(qiáng)。這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不僅滿足了客戶對靈活設(shè)計(jì)應(yīng)用的追求，同時(shí)也確保了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。 表1 DR7808與國際主流競品參數(shù)對照表 
表2 DR7808的產(chǎn)品參數(shù)與硬件框架
二、 DR7808性能特點(diǎn)與技術(shù)創(chuàng)新 2.1 PWM4功能與應(yīng)用：四路PWM驅(qū)動，覆蓋更多應(yīng)用場景 對于座椅記憶功能及其他需要協(xié)調(diào)四個(gè)電機(jī)同步工作的應(yīng)用，DR7808的EN_PWM4引腳展現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢。通過巧妙地設(shè)置CSA_OC_SH寄存器中的HB6_PWM4_EN位，EN_PWM4可以轉(zhuǎn)換成為第四個(gè)PWM輸入，專門用于驅(qū)動HB6橋臂。這一設(shè)計(jì)突破了行業(yè)界限，顯著區(qū)別于最大僅支持三個(gè)PWM通道的競品，為多電機(jī)同步控制開辟了新的可能性。 如下示意圖，我們簡單概述了PWM正向控制與反向控制的配置流程及信號流向。通過將EN_PWM4引腳映射至HB6，HB6內(nèi)的HS和LS可根據(jù)HB6_MODE寄存器的設(shè)定轉(zhuǎn)換為有源MOSFET，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PWM驅(qū)動下的正向與反向操作。當(dāng)HB6由EN_PWM4信號驅(qū)動時(shí)，外部MOSFET的充電與放電過程受到精細(xì)化管理，而這一過程的靜態(tài)電流則由ST_ICHG寄存器中的HB6ICHGST位精準(zhǔn)調(diào)控。 值得注意的是，EN_PWM4引腳在默認(rèn)狀態(tài)下?lián)涡酒鼓艿慕巧Ｒ坏〩B6_PWM4_EN位被激活，即使EN_PWM4引腳被拉低，芯片也不會隨即進(jìn)入禁用狀態(tài)。正常應(yīng)用下，可通過SPI配置重新HB6_PWM4_EN為低來復(fù)位EN_PWM4引腳為芯片使能。同時(shí)VDD電源下電或是看門狗超時(shí)，HB6_PWM4_EN將被復(fù)位，EN_PWM4引腳將重新承擔(dān)起使能職責(zé)。隨后，當(dāng)EN_PWM4引腳再次被斷言為低電平時(shí)，芯片將執(zhí)行重置操作。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，一個(gè)推薦的軟件實(shí)踐是在喂狗前連續(xù)讀取0x00寄存器三次，若讀取數(shù)據(jù)三次完全一致，則視為喂狗成功；相反，若未能滿足這一條件，則需將EN_PWM4引腳設(shè)置為高電平狀態(tài)，以防后續(xù)看門狗超時(shí)引發(fā)的意外重置。
圖1 正向PWM操作示例
圖2 反向PWM操作示例 2.2 柵極驅(qū)動與過流保護(hù)：精細(xì)調(diào)節(jié)與成本優(yōu)化 DR7808芯片在柵極驅(qū)動電流調(diào)節(jié)與過流保護(hù)方面展現(xiàn)出卓越的性能。其過流保護(hù)門限覆蓋了從0.075V至2V的寬泛范圍，提供16檔精細(xì)調(diào)節(jié)，這一設(shè)計(jì)顯著優(yōu)于競品0.15V至2V的8檔位調(diào)節(jié)范圍，使DR7808得以在小電流應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出色的適應(yīng)性和安全性。 不僅如此，DR7808每個(gè)柵極驅(qū)動器能夠通過32個(gè)檔位精確控制1.0mA至約100mA的電流變化，這一特性直接挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)做法中通過在門級驅(qū)動回路中串接不同阻值電阻來改變邊沿斜率，以減小MOS開啟瞬間電流尖峰的做法。DR7808的這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)無需額外電阻，減少了外圍組件數(shù)量，從而降低了成本，簡化了設(shè)計(jì)流程，同時(shí)也使得調(diào)試工作變得更加便捷。 DR7808芯片在柵極驅(qū)動器設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了對有源MOSFET和續(xù)流MOSFET的充電與放電電流的精密控制，具體配置步驟如下： 1. 初始化配置：首先，通過設(shè)置GENCTRL1寄存器中的REG_BANK位，確定即將訪問的控制寄存器組。 2. 有源MOSFET電流控制： o 充電電流：利用PWM_ICHG_ACT寄存器（當(dāng)REG_BANK=0時(shí)），精確設(shè)定有源MOSFET的充電電流。 o 放電電流：通過PWM_IDCHG_ACT寄存器（同樣在REG_BANK=0時(shí)），配置有源MOSFET的放電電流。 3. 續(xù)流MOSFET電流控制：借助PWM_ICHG_FW寄存器（在REG_BANK=1時(shí)），同時(shí)配置續(xù)流MOSFET的充電和放電電流，確保其在PWM操作下的性能最優(yōu)。
圖3 PWM操作時(shí)可配置的放電電流
圖4 PWM操作時(shí)可配置的充電電流 2.3 高級檢測與保護(hù)機(jī)制：確保H橋驅(qū)動的穩(wěn)定與安全 2.3.1 上下管死區(qū)控制與保護(hù)優(yōu)化 在H橋功率驅(qū)動應(yīng)用中，上下管的死區(qū)控制是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方法依賴于MCU算法計(jì)算死區(qū)時(shí)間，采用軟件方式進(jìn)行控制，然而在極端條件下，這種做法的可靠性備受質(zhì)疑。例如，死區(qū)時(shí)間設(shè)置不當(dāng)、Cgd對柵極電壓的耦合效應(yīng)、極限占空比等因素都可能導(dǎo)致上下管同時(shí)導(dǎo)通，引發(fā)系統(tǒng)故障。 針對這一挑戰(zhàn)，類比半導(dǎo)體在DR7808芯片中引入了一系列創(chuàng)新技術(shù)，包括動態(tài)死區(qū)監(jiān)控、柵極Hardoff抗耦合、PWM占空比補(bǔ)償和極限占空比補(bǔ)償，以解決傳統(tǒng)方法的不足。用戶只需簡單設(shè)置相關(guān)參數(shù)，芯片內(nèi)置的握手檢測機(jī)制便會通過電壓邏輯判斷，當(dāng)上橋MOS開啟時(shí)，自動對下橋MOS實(shí)施內(nèi)部Hardoff電流強(qiáng)下拉，確保在任意死區(qū)配置下，上下橋MOS絕不會同時(shí)開啟，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與可靠。 2.3.2 豐富診斷保護(hù)機(jī)制示例 DR7808芯片配備了全面的診斷與保護(hù)機(jī)制，以應(yīng)對各類潛在故障。以下以供電電壓VM異常為例，展示芯片的響應(yīng)流程： 1. 當(dāng)供電電壓VM從正常值12V驟降至4.5V時(shí)，芯片立即觸發(fā)欠壓保護(hù)機(jī)制。 2. 在數(shù)據(jù)格式中，0x08的Global status Byte(GEF)值表明SUPE位被置1，芯片檢測到Power error，并自動上傳故障標(biāo)志。 3. 同時(shí)，General Status Register將提供更詳盡的故障信息，確保故障狀態(tài)的及時(shí)上報(bào)與處理。
圖5 VM過壓欠壓下的輸出行為
圖6 VM欠壓時(shí)的GEF數(shù)據(jù)捕獲及上傳 2.4 Off-brake保護(hù)機(jī)制：守護(hù)電機(jī)與系統(tǒng)安全 在特定工作場景下，如工廠裝配線上的尾門自動調(diào)整或座椅折疊過程，若電池未能及時(shí)為控制板供電，電機(jī)在運(yùn)動中產(chǎn)生的反向電動勢（Back EMF）可能逆向流入電源端，對周邊電路元件構(gòu)成威脅，尤其是對敏感的TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）和MOSFET造成潛在傷害。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，DR7808芯片集成了off-brake保護(hù)功能，有效地化解了這一風(fēng)險(xiǎn)。 當(dāng)DR7808芯片處于passive模式時(shí)，其內(nèi)置傳感器持續(xù)監(jiān)測供電電壓VS。一旦檢測到VS電壓超過安全閾值32.5V，芯片即刻響應(yīng)，自動啟動LS4至LS1的MOSFET，迫使電機(jī)迅速進(jìn)入剎車狀態(tài)。這一動作迅速削減了反向電動勢，避免了電機(jī)的非計(jì)劃旋轉(zhuǎn)，同時(shí)保護(hù)了系統(tǒng)免受高電壓沖擊。 隨后，系統(tǒng)將自動監(jiān)控VS電壓的下降趨勢，直至其穩(wěn)定降至30V以下。此時(shí)，off-brake機(jī)制自動解除，LS4至LS1的MOSFET隨之關(guān)閉，恢復(fù)正常操作狀態(tài)。這一連貫的off-brake保護(hù)過程確保了VS電壓始終保持在安全范圍內(nèi)，有效防止了TVS和MOSFET因過壓而損壞，維護(hù)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
圖7 off-brake保護(hù)機(jī)制波形 2.5 離線診斷機(jī)制：精密檢測與故障排查 DR7808芯片通過離線狀態(tài)診斷功能，能夠精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)輸出端對電源短路、對地短路以及負(fù)載開路的檢測，這一機(jī)制在設(shè)計(jì)上獨(dú)具匠心，為每個(gè)MOSFET的柵極驅(qū)動器提供了上拉電流（典型值為500μA），并在驅(qū)動器激活狀態(tài)（BD_PASS=0）時(shí)，于SHx引腳處提供下拉電流（典型值為1000μA），確保了診斷過程的穩(wěn)定與精確。 2.5.1 診斷步驟與原理 MOSFET對地短路檢測：設(shè)置BD_PASS=0，HBx_MODE為00b或11b，并激活HBxIDIAG=0，同時(shí)開啟內(nèi)部上拉電流，將SHx電壓拉至接近VDRAIN。待一定時(shí)間后，通過讀取HBxVOUT寄存器，若其值為0b，則表明MOSFET存在對地短路現(xiàn)象。 MOSFET對電池短路檢測：同樣將BD_PASS設(shè)為0，HBx_MODE配置為00b或11b，但此時(shí)HBxIDIAG應(yīng)設(shè)為1，以啟用內(nèi)部下拉電流，將SHx電壓拉至接近SL。隨后，讀取HBxVOUT寄存器，若讀得值為1b，則說明MOSFET與電池相連，存在短路狀況。 空載檢測：此步驟涉及HBx與HBy之間的電機(jī)連接檢測。首先，將BD_PASS設(shè)為0，HBx_MODE與HBy_MODE均配置為00b或11b，HBxIDIAG設(shè)為0以激活HBx通道的上拉電流，同時(shí)HBy通道的HBxIDIAG設(shè)為1以啟用下拉電流。等待一段時(shí)間后，讀取HBxVOUT和HByVOUT寄存器。若電機(jī)正常連接，SHx與Shy均會被下拉至SL，此時(shí)HBxVOUT與HByVOUT讀數(shù)均為0b；若電機(jī)斷開，SHx將被上拉至VDRAIN，而Shy則下拉至SL，HBxVOUT讀數(shù)為1b，HByVOUT讀數(shù)為0b。 值得注意的是，上述離線檢測功能的有效發(fā)揮，需滿足橋驅(qū)動程序處于活動狀態(tài)（即BD_PASS=0），并且相應(yīng)半橋處于斷開模式（HBxMODE=00b或11b）的前提條件。每個(gè)柵極的下拉電流驅(qū)動器由HBIDIAG寄存器中的控制位HBxIDIAG激活，這一精細(xì)控制確保了診斷過程的準(zhǔn)確執(zhí)行。在微控制器執(zhí)行離線狀態(tài)診斷時(shí)，為確保檢測的準(zhǔn)確性，相關(guān)半橋的VDSOV閾值橋接器需通過軟件配置，設(shè)置為2V的標(biāo)稱值。這一配置步驟是實(shí)現(xiàn)離線診斷功能的關(guān)鍵，確保了檢測過程中的信號穩(wěn)定與結(jié)果的可靠性。 通過以上精心設(shè)計(jì)的配置步驟，微控制器能夠準(zhǔn)確獲取HBxVOUT的狀態(tài)，從而高效、可靠地完成離線診斷任務(wù)，為設(shè)計(jì)者提供了強(qiáng)大而實(shí)用的故障排查工具，增強(qiáng)了DR7808芯片在復(fù)雜應(yīng)用場景下的適應(yīng)能力和系統(tǒng)維護(hù)的便利性。 2.6 精準(zhǔn)電流檢測：實(shí)時(shí)監(jiān)測與優(yōu)化 DR7808芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)高精度CSA電流檢測運(yùn)放，其在offset精度上展現(xiàn)出色表現(xiàn)，誤差僅約1mV，這一特性顯著優(yōu)于國際大廠競品。芯片設(shè)計(jì)的靈活性體現(xiàn)在其支持多種電流檢測方式，既可在電源端串聯(lián)檢流電阻，亦可在接地端使用分流電阻，甚至在電機(jī)內(nèi)部串聯(lián)分流電阻進(jìn)行檢測，其中電機(jī)端檢測的獨(dú)特優(yōu)勢在于能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測雙向電流，確保了電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全面掌握。 為避免PWM信號引起電流檢測運(yùn)放輸入端的高共模電壓擺動，建議將PWM信號應(yīng)用于未連接分流電阻的半橋端。這一布局方式可有效減少信號干擾，確保電流檢測的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。如圖8所示，展示了PWM與分流電阻在電機(jī)中的典型應(yīng)用布局，直觀地呈現(xiàn)了這一優(yōu)化連接策略。
圖8 PWM和分流電阻應(yīng)用在電機(jī)示意圖 在某些應(yīng)用場景下，PWM信號不可避免地需要應(yīng)用于分流電阻所在的半橋。此時(shí)，為消除高共模電壓跳變導(dǎo)致的CSA輸出電壓毛刺，應(yīng)通過設(shè)置CSAx_SH_EN寄存器（x=1,2）啟用CSA PWM抑制功能。同時(shí)，CSAx_SEL寄存器的配置需指向需采樣的半橋，確保在PWM切換期間，CSA輸出保持采樣狀態(tài)，有效避免電壓毛刺的產(chǎn)生。采樣與保持時(shí)間由tcp與tblank決定，這一機(jī)制進(jìn)一步提升了電流檢測的精度與可靠性。 三、 DR7808：拓展應(yīng)用的無限可能 DR7808芯片憑借其8個(gè)獨(dú)立可控的半橋設(shè)計(jì)，展現(xiàn)出了卓越的靈活性與拓展性。每個(gè)半橋的上下管均可獨(dú)立控制，意味著單顆芯片即可支持高達(dá)4個(gè)H橋配置，或靈活配置為8路高邊驅(qū)動或低邊驅(qū)動。這一設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)方案的局限，為設(shè)計(jì)人員提供了前所未有的自由度，尤其是在功能域場景中，能夠滿足大量高邊或低邊驅(qū)動的需求。 傳統(tǒng)應(yīng)用中，大量高邊驅(qū)動通常依賴于分立器件，如達(dá)林頓管和繼電器的組合。然而，這些方案存在明顯的缺點(diǎn)，包括器件面積大、機(jī)械開關(guān)壽命短、噪聲問題以及高壓觸點(diǎn)粘連風(fēng)險(xiǎn)，加之需要額外電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。相比之下，DR7808的高度集成化設(shè)計(jì)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，不僅提供了單芯片8路高邊或低邊驅(qū)動的能力，還內(nèi)建了豐富的保護(hù)機(jī)制，涵蓋過流、過壓、欠壓和過溫等多重防護(hù)，配合SPI通信故障診斷上傳機(jī)制，為系統(tǒng)級功能安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 在高低邊應(yīng)用中，DR7808的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)特別針對不同場景進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)用于高邊應(yīng)用時(shí)，可以省略低邊MOS的使用，反之亦然。這一設(shè)計(jì)上的考量不僅簡化了電路布局，還大幅降低了物料成本，提升了系統(tǒng)的整體性價(jià)比。在擁有大量高低邊設(shè)計(jì)需求的場景下，DR7808相比國際競品展現(xiàn)出更加明顯的優(yōu)勢，無論是成本控制還是性能表現(xiàn)，均能脫穎而出。
圖9 DR7808設(shè)計(jì)及應(yīng)用場景 四、 總結(jié) 類比半導(dǎo)體的電驅(qū)產(chǎn)品系列，以其與市面上通用產(chǎn)品BOM的無縫兼容性，不僅簡化了軟件設(shè)計(jì)流程，還確保了硬件設(shè)計(jì)的簡潔高效，為行業(yè)樹立了全新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在性能層面，我們超越了市場上的競爭對手，不僅在關(guān)鍵指標(biāo)上領(lǐng)跑，更深入挖掘客戶需求，引入了一系列創(chuàng)新功能，直擊行業(yè)痛點(diǎn)，重塑電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域的技術(shù)格局。 作為類比半導(dǎo)體電驅(qū)產(chǎn)品線的杰出代表，DR7808八半橋預(yù)驅(qū)芯片憑借其卓越的電流精度、強(qiáng)化的握手邏輯、出色的穩(wěn)定性和可靠性，完美貼合了市場對多電機(jī)控制日益增長的需求。在汽車工業(yè)邁向智能化與中央集成化的大趨勢下，DR7808以其獨(dú)特的優(yōu)勢，不僅為客戶提供了一站式解決方案，包括GUI軟件和C語言底層驅(qū)動在內(nèi)的完整技術(shù)服務(wù)，更助力客戶產(chǎn)品在全球競爭中脫穎而出，為智能出行時(shí)代注入強(qiáng)勁動力。 我們誠摯邀請行業(yè)伙伴共同探索電驅(qū)技術(shù)的無限可能，類比半導(dǎo)體承諾以專業(yè)、創(chuàng)新的態(tài)度，與您一同迎接挑戰(zhàn)，把握機(jī)遇，共創(chuàng)智能出行的美好未來。熱烈歡迎來電洽談合作，讓我們攜手書寫電驅(qū)領(lǐng)域的嶄新篇章，引領(lǐng)行業(yè)邁向更高成就。 關(guān)于類比半導(dǎo)體 類比半導(dǎo)體是一家模擬及數(shù)模混合芯片和解決方案供應(yīng)商，公司成立于2018年，由一批來自于國際頂尖半導(dǎo)體公司的本土工程師創(chuàng)建。公司總部位于上海，在蘇州、深圳、西安、北京分別設(shè)有研發(fā)和技術(shù)支持中心。公司專注于汽車智能驅(qū)動、線性產(chǎn)品、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域的芯片設(shè)計(jì)，產(chǎn)品主要面向工業(yè)和汽車等市場。類比致力于為客戶提供高品質(zhì)芯片，為世界科技化和智能化發(fā)展提供底層的芯片支持。更多信息請搜索“類比半導(dǎo)體”微信公眾號關(guān)注我們。 |
