揭秘：英飛凌預驅模組 TLE989x 有哪些神奇功能？

來源: 英飛凌汽車電子生態圈

英飛凌的 MOTIX™ MCU（SoC）家族產品整合了驅動電機所有基本的模組，包括L DO，MCU，bridge driver，current sense amplifier, CAN/LIN 收發器，高壓偵測等模組。在過去十多年的汽車小型電機應用上，該系列產品已被廣泛使用。TLE989x 作為全新產品，它的預驅模組也整合了英飛凌最新技術，那究竟有哪些神奇的功能呢？讓我一探究竟。

Active/Free wheeling 偵測功能

在電機控制過程中，電流有時會從控制器流向電機，有時反向。在死區時間內，高邊和低邊的 MOS 都沒有開啟，此時電流方向如下圖 FW 線所示。

如果電流流向控制器（電機），那麼只能透過高邊（低邊）MOS 的體二極體流向電源（大地）。此時，我們稱高邊（低邊）為 free wheeling MOS，對應的另一邊低邊（高邊）為 active MOS。

如果低邊是 active MOS，高邊是 free wheeling MOS。那麼在死區時間內，因為電流經過高邊二極體流向電源，所以 VSHx=VVSD+Vdiode，如下圖左側所示。反之，VSHx=VSL-Vdiode，如下圖右側所示。

在高邊或低邊處於 free wheeling 狀態時，我們可以看到在死區時間內，VSH 的電壓差異很大。因為，TLE989x 透過偵測死區時間內的 VSH 電壓，而判斷哪個 mos 是 free wheeling 狀態。

如下圖測試結果所示，1 號通道是判斷結果，2 號通道是 PWM 波形。因為在三相 BLDC 的 FOC 控制過程中，相電流是正弦波，所以可以得到 1 號通道所示的判斷結果在不斷變化。

時間測量功能

每個半橋在 SH 引腳處提供兩個高速電壓比較器，用於測量外部 MOSFET 導通或關閉期間 SH 電壓斜率的開始和結束。

如下圖低邊 MOS 控制訊號示意圖所示，在對應 PWM 控制訊號的每次轉換時進行時間測量並把結果儲存到暫存器。高邊時間測量是類似的原理。

自適應電流驅動功能

MOS 開關速度越快（慢）， 其功耗越低（高），但 EMC 效能越差（好）。所以用戶只好在功耗和 EMC 效能指標上，透過調整開關速度，平衡二者關係。

如下圖所示，自適應控制模式是基於上一章測到的開關時間，透過調整充放電電流大小，達到使用者設定的開關目標時間。這大大降低了用戶的工作量，而且一定程度上可以補償 MOS 和預驅的參數離散性。

如果 MOS 處於 free wheeling 狀態，在開啟和關閉之前，電流已經通過 MOS 體二極體達到最大值。此時，用戶只需要專注於功耗，盡快打開 MOS，降低損耗。所以採用 constant mode 是最佳選擇。如果 MOS 處於 active 狀態，在開啟和關閉之前，其電流為 0，在開關過程中，電流將會從 free wheeling MOS 逐漸切換到 active MOS，所以需要控制電流的斜率 dI/dt，採用 sequencer mode 是最佳選擇。

基於此，TLE989x/8x 可以基於前文介紹的 active/freewheeling 狀態檢測的結果，硬體自動在 constant 和 sequencer mode 之間選擇。其實測效果如下圖所示，第一相的相電流大於 0，低邊 MOS 是 free wheeling 狀態。所以其開關模式是 constant mode，只能看到一個電流峰值，也是設定最快速度開關 MOS，進而在不影響 EMC 效能的前提下，盡可能降低開關損耗。第二相的相電流小於 0，其低邊 MOS 屬於 active，所以其開關模式是 sequencer mode，可以看到多個電流峰值。

停機狀態下的短路和開路偵測功能

隨著電機驅動系統的廣泛應用，電機故障的快速檢測變得尤為重要。英飛凌的驅動技術在這方面提供了一項創新的解決方案：無需打開驅動，即可偵測電機短路和開路的情況。本節將詳細解析此功能的工作原理及實作方法。

一、電機短路檢測

在電機驅動系統中，短路故障是常見的問題之一。英飛凌的驅動技術透過巧妙的電路設計，實現了在不啟用驅動的情況下檢測短路的能力。其工作原理如下：

a. 電路配置

當啟用 HB 上的上 MOSFET 的下拉診斷電流源（IPddiag）時，上拉診斷電流源（IPudiag）預設為啟用。這種配置形成了一個固定電平，電約為 1.5V。

b. 短路到地偵測

如果電機有短路到地的情況，LS DS 偵測比較器會感知到異常。此時，LS DS 比較器的輸出為 0，並置位相關的狀態位，以指示故障的發生。

c. 短路到電源偵測

類似地，當電機發生短路到電源時，HS DS 偵測比較器會偵測到異常。 HS DS 比較器的輸出同樣為 0，並置位相關的狀態位，提示系統有短路到電源的故障。

透過這種方式，系統可以在不啟用驅動的情況下，快速判斷電機的短路故障類型。

二、電機開路偵測

除了短路偵測，英飛凌的驅動技術還支援電機開路的偵測。這種檢測方法同樣依賴診斷電流源的配置和比較器的閾值設定。具體實作步驟如下：

電路配置

若要偵測 HB1 的開路狀況，需啟用 HB2 和 HB3 的上拉診斷電流源（IPudiag）。此時，比較器的閾值設定為最大值。

正常狀態檢測

如果 HB1 未發生開路故障，由於上拉和下拉診斷電流源的比例關係，SH 點的電壓會穩定在約 1.5V。

開路狀態偵測

如果 HB1 發生開路，SH 點的電壓會因為上拉診斷電流源的作用，略高於母線電壓。這種電壓變化會觸發 HS DS 檢測比較器，置位相關狀態位元以指示開路故障。

然後透過依序啟用 HB2 和 HB3 的上拉診斷電流源，系統可以依照相同的流程偵測 HB2 和 HB3 的開路情況。

注意事項:在啟用下拉診斷電流源時，需等待一段時間（時間與電機感量有關），以確保電平達到穩定狀態後再進行診斷。官方提供了範例函數供使用者參考。

TLE9893 透過精巧的電路設計和診斷邏輯，實現了在不啟用驅動的情況下偵測電機短路和開路的功能。這種方法不僅提高了系統的安全性，還節省了能耗，為電機驅動系統的可靠性提供了有力保障。

Vds 保護功能

在驅動工作的時候，為了保護 MOS 不會因為短路，直通等故障燒毀。驅動器還具有對開關狀態的 MOS DS 電壓檢測 以及比較器保護功能。

如下圖所示，VDS 的比較器閾值可設定從 0.125V 一直到 1.75V。解析度在 0.25V 一檔。比較器的對應時間較快加上對應的濾波，us 等級就可以觸發硬體層級的橋驅關閉。

同時在 VDH 接腳，SH 接腳，都晶片內部連接到了 AD 介面。可以輔助作為診斷。

上面所說的 VDS 檢測主要用於短路保護。對於基於詳細電流閾值的保護，使用者可以使用 TLE9893 運算模組整合的比較器，該模組可以設定各種閾值，也會在 us 層級相應。 同時 CSA 的輸出內部連接到 AD，做輔助檢測。

兩級電荷泵

TLE9893 內部整合兩級 charge pump。可以配置成兩級工作，也可以配置成自動根據 VSD 的 ADC 的比較輸出來切換，閾值可以自行設定。這樣在電壓下降的情況下，也可以切換成一級 charge pump 來節省電流消耗。內部 charge pump 時鐘也是自備硬體抖頻功能。

TLE9893 配備 VCP 和 VSD 的差異比較器，在電壓過低的時候可以直接置位關掉預驅，降低系統不確定性。 VCP 和 VSD 也會同時連接到 ADC 來輔助判斷

寫在最後

除了上文提到的各種先進的功能外，TLE989x 的預驅模組還整合了以下豐富的功能：

• 低功耗模式下的反向電動勢過壓喚醒功能。喚醒以後，使用者可以透過軟體進行製動，從而減少反向電動勢對機械結構和電子裝置的不利影響。

• 過溫保護，過壓保護等基本功能。

英飛凌先進的預驅技術，不僅能為使用者設計帶來便利，也能進一步提升系統的穩定性。每項功能的具體介紹，請點擊“此處” ，參考英飛凌官網的晶片手冊。

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