数明半导体多路半桥驱动SiLM94112芯片在大电容负载应用中的启动对策
本文主要阐述了数明半导体多路半桥驱动SiLM94112芯片应用中，过流保护功能及大电容负载启动的应对策略。
SiLM94112概述及过流检测介绍
SiLM94112是一款带有多种保护功能的十二路半桥驱动芯片，广泛应用于汽车应用中的各种电机控制。通过SPI通信接口，SiLM94112可以实现灵活的电机控制。该芯片具有正向、反向、刹车等多种控制模式。PWM模式下可配置80Hz，100Hz，200Hz和2kHz四种频率。SiLM94112集成了多重保护诊断功能，包括短路、过流、开路、电源故障及过温保护等。保护和诊断功能对于系统应用来说具有重要意义，诊断特性可以提高应用系统的鲁棒性和可靠性。在正常运行过程中，如果负载出现短路或者过流的情况，芯片的过流保护会发生作用，对系统起到保护作用。但是对于带大容性负载启动的一些应用中，在启动阶段也会出现过冲电流，如果此时的冲击电流维持时间大于过流保护滤波时间，将会导致系统启动失败，本篇文档主要阐述大电容负载下启动应对策略。
SiLM94112过流保护原理
SiLM94112过流保护如图1和图2所示。输出电流超过过流检测阈值ISD，如果电流继续增大会被内部ILIM限住，若持续时间大于过流关断滤波时间tdSD时，会触发过流保护，相应寄存器报错，输出关闭变为高阻状，同时输出会被锁住。
SiLM94112在导通内部集成MOSFET时，通过检测内部MOSFET两端电压差大小，将得到的电压差值与基准值在一定时间内持续进行比较，从而判断外部输出负载是否过流。若电压差值大于基准值，且持续时间大于滤波时间，芯片上报过流故障。
下面简单介绍过流检测内部工作原理。如图3所示，OUT为输出端电压，VS为工作电源，Vref1，Vref2为内部参考电位，OC_L为下管发生过流产生的过流信号，OC_H为上管发生过流产生的过流信号 ，EN_L、EN_H分别为内部比较器的使能端。检测原理如下：若打开上管，EN_H为高，使能高边OC比较器，检测比较Vref1与VS-OUT的大小，若负载电流很大，OUT端电压过低，OC_H将变高，产生过流信号OC。同理，若打开下管，EN_L为高，使能低边OC比较器，检测比较Vref2与OUT的大小，若OUT端电压过高，OC_L也会变高，也会产生过流信号OC。
大电容负载启动应对策略
根据电容基本公式：
电容充电电流大小与负载电容，电容端电压变化的速率相关。在系统启动的过程中，如果负载电容CLOAD过大或者输出电压变化速率dVOUT/dt过快，将产生较大的电容充电电流I，导致芯片内部检测到过流信号，如果充电时间持续时间大于过流检测滤波时间，那么就会出现过流告警，启动失败。根据上述原理，下面主要阐述容性负载启动的应对措施。
第一种方案，直接直流输出启动，如图4所示，对于小电容负载可以采用此种方法。但是随着输出电容变大，可能会存在冲击电流过大而导致过流，系统无法正常启动。SiLM94112可以通过寄存器OLDN_DT_SR_CTRL中的SR_CTRL来配置合适的输出摆率从而避免启动阶段的过流现象：设置的摆率越小，电压爬升的速度越慢，电容充电电流越小，就越不容易产生过流现象。该方法简单，但是也具有局限性。当负载电容容量进一步加大时还是存在过流的可能，需要其他方法配合来一起解决。
第二种方案，采用PWM方式进行启动，如图5所示。与直流直接启动方式相比，该方案可以有效控制输出高电平时间，也即电容充电的有效时间。PWM工作情况下的导通时间越短，产生过流的机率越低。还可以通过控制PWM的有效高电平，形成输出不同直流平台，缩短最终电压平台差异，减小电流冲击。下面以SiLM94112使用PWM1通道在输出OUT4产生频率为2000Hz，占空比2%PWM波为例，介绍具体的大电容负载启动的PWM配置步骤：
第一步：通过寄存器HB_MODE_CTRL为半桥通道配置合适的PWM通道，HB_MODE_1_CTRL=0x40。
第二步：通过寄存器PWM_DC_CTRL为半桥通道设置合适的占空比，PWM1_DC_CTRL=0x05。
第三步：通过寄存器PWM_CH_FREQ_CTRL或者OVP2_2k_CTRL配置合适的工作频率，OVP2_2k_CTRL=0x10。
第四步：通过寄存器FW_CTRL配置为Passive free-wheeling工作模式，FW_CTRL1=0x20。
第五步：通过寄存器HB_ACT_CTRL配置HSn或LSn，激活相应通道，HB_ACT_1_CTRL=0x80。
实验测试验证
根据上述应对策略，搭建试验电路如图6所示。下面分别测试了在不同上升斜率，不同电容负载下直接启动情况以及在PWM运行，不同PWM频率相同占空比和相同PWM频率不同占空比下的启动表现。
不同上升斜率下电容负载直接输出启动波形
当VS=16V ，RLOAD=100Ω, CLOAD=3.3μF，在不同上升斜率下，启动电流波形如图7和图8所示。可以看到，上升斜率SR为0.2V/μs的时候，电容充电电流理论值为0.66A，可以正常启动。当上升斜率SR增大为3V/us的时候，电容充电电流理论值为9.9A，触发了过流，无法正常启动。
不同电容负载下直接直流输出的启动波形
当VS=16V，RLOAD=42Ω，上升斜率SR=0.1V/μs(001)，在不同电容负载下的启动电流波形如图9和图10所示。可以看出，电容负载较小为4.7μF时, 电容充电电流理论值为0.47A，外加负载电阻0.38A，总电流达0.85A，可以直接启动。当电容负载增大至10μF时，电容充电电流理论值为1A，外加负载电阻0.38A，总电流达1.38A，触发了过流，无法正常启动。
PWM方式启动，在相同占空比不同频率下电容负载启动波形
当VS=16V，RLOAD=100Ω，CLOAD=3.3μF，上升斜率SR =0.5V/μs(010)，电容充电电流理论值为1.65A，达到了过流值，Duty=4%, 在不同PWM频率下，启动电流波形如图11和图12所示。可以看到，PWM为2kHz的时候，过流时间为0.04*0.5ms=20μs，与芯片内部滤波比较略小，可以正常启动。当频率降低至80Hz时，电容充电电流不变，但过流时间为0.04*12.5ms=500μs，比芯片内部滤波比较大，触发了过流，无法正常启动。
不同上升斜率下电容负载直接输出启动波形
当VS=16V，RLOAD=100Ω, CLOAD=3.3μF，上升斜率SR=0.5V/μs(010)，电容充电电流理论值为1.65A，达到了过流值，但是可以采用PWM启动的方式，通过合理的配置使其成功启动。
图13和图14展示了PWM=2kHz时在不同占空比下启动的波形。在占空比为4%的时候，过流时间为0.04*0.5ms=20μs，比芯片内部滤波时间小，可以正常启动。当占空比增大至10%时，过流时间为0.1*0.5ms=50μs，比芯片内部滤波时间大，触发了过流，无法正常启动。
以上试验说明，同等电容负载条件下，降低输出摆率有利于负载的启动。采用PWM启动时，同等频率降低占空比或者相同占空比下提高频率，可以增强大电容负载下的启动能力。在启动过程设置不同duty的PWM，逐步抬高输出电压平均平台，使得输出电压每个平台跳变电压变小，减少冲击电流，最终达到高电平。
总结
综上所述，SiLM94112的过流保护功能，在正常的运行过程中如果发生负载短路或过流，可保证系统安全运行。对于大电容负载启动，为避免误触发过流保护，可设置寄存器降低输出摆率，增大电容负载启动能力。采用PWM启动方式，控制PWM导通时间不超过过流保护时间；还可以通过控制PWM输出不同的电压平台，分多次逼近最终输出电压幅值，减小电流冲击，达到顺利启动的目的。
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世强深圳实验室提供Robei EDA软件免费使用服务，与VCS、NC-Verilog、Modelsim等EDA工具无缝衔接，将IC设计高度抽象化，并精简到三个基本元素:模块、引脚、连接线，自动生成代码。点击预约，支持到场/视频直播使用，资深专家全程指导。
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授权代理品牌：集成电路
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