数明半导体SiLM94112多路半桥驱动在大电容负载应用中的启动对策
本文主要阐述了多路半桥驱动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。
图 1. SiLM94112 高边过流
图 2. SiLM94112 低边过流
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。
图 3. 过流检测示意图
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。
图 4. 电容负载直接启动示意图
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。
图 5.电容负载 PWM 方式启动示意图
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。
图 6. 电容负载启动测试图
1 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/μs 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。
图 7. SiLM94112 电容负载启动波形
Slew Rate=0.2V/μs（001）
CH1: VOUT4; CH2: IOUT4
图 8. SiLM94112 电容负载未启动波形
Slew Rate=3V/μs（111）
CH1: VOUT4; CH2: IOUT4
2 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。
图 9. SiLM94112 电容负载启动波形
负载电容 4.7μF
CH1: VOUT4; CH3: IOUT4
图 10. SiLM94112 电容负载未启动波形
负载电容 10μF
CH1: VOUT4; CH3: IOUT4
3 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。
图 11. SiLM94112 电容负载启动波形
PWM=2kHz
CH1: VOUT4; CH2: IOUT4
图 12. SiLM94112 电容负载未启动波形
PWM=80Hz
CH1: VOUT4; CH3: IOUT4
4 不同占空比下电容负载的启动波形
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。
图 13. SiLM94112 电容负载启动波形
Duty=4%
CH1: VOUT4; CH2: IOUT4
图 14. SiLM94112 电容负载未启动波形
Duty=10%
CH1: VOUT4; CH3: IOUT4
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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数明半导体亮相上交会，展现国产模拟芯片新高度！
第十届中国（上海）国际技术进出口交易会（简称“上交会”）于2024年6月12日至14日在上海世博展览馆盛大举办。本届上交会以“数链时代，绿动未来”为主题，聚焦技术创新与绿色发展，展示全球最新技术贸易成果。上海数明半导体有限公司（以下简称“数明半导体”）携多款前沿芯片产品亮相上海市工商联以“创新中的民营企业”为主题的展区，展位号为1D124。
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