來源：納芯微電子

隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)性能、安全及小型化的要求不斷提升，芯片集成度面臨更高挑戰(zhàn)。納芯微Prime Drive系列NSI67x0智能隔離柵極驅(qū)動(dòng)憑借其集成的保護(hù)功能與模擬信號(hào)采樣，為應(yīng)對(duì)這一發(fā)展趨勢提供了解決方案。

本應(yīng)用報(bào)告提供了NSI67x0的應(yīng)用框圖和實(shí)測波形。NSI67x0所集成的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換通道不僅能減少物料清單(BOM)數(shù)量、縮小電路板尺寸，還能簡化設(shè)計(jì)流程，為客戶系統(tǒng)高可靠運(yùn)行保駕護(hù)航。

01智能隔離柵極驅(qū)動(dòng)NSI67x0基本信息

1.1. 內(nèi)部ESD結(jié)構(gòu)說明

NSI67x0內(nèi)部ESD結(jié)構(gòu)如圖所示，控制側(cè)所有引腳均連接至GND1的ESD保護(hù)二極管，用藍(lán)色表示。除FLT與RDY引腳為開漏輸出外，其余引腳同時(shí)連接至VCC1的ESD保護(hù)二極管，用綠色表示。VCC1與GND1之間設(shè)置有主ESD二極管，用紅色表示。驅(qū)動(dòng)側(cè)的所有引腳均配置至VCC2和VEE2的ESD保護(hù)二極管中，OUTH至VCC2、OUTL至VEE2以及CLAMP至VEE2為功率MOSFET的體二極管，用黃色表示。

圖1.1 內(nèi)部ESD結(jié)構(gòu)

1.2. 典型應(yīng)用電路

圖1.2 典型應(yīng)用電路

02AIN-APWM模擬采樣功能

2.1. 功能描述

NSI67x0系列智能隔離柵極驅(qū)動(dòng)具有一個(gè)隔離式的模擬通道，無需額外器件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的隔離檢測。模擬輸入(AIN)引腳可接收0.3V至4.6V的信號(hào)，該信號(hào)通過比較器和鋸齒波形轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)。然后，這個(gè)PWM信號(hào)經(jīng)過編碼傳輸?shù)娇刂苽?cè)，在APWM引腳輸出一個(gè)頻率為10khz的方波信號(hào)，其占空比在8%至94%之間隨AIN電壓線性變化，在電壓范圍兩邊存在遲滯區(qū)間。

在0.2V-0.3V之間，占空比會(huì)在94%-98%隨機(jī)變化。在4.6V-4.8V之間，占空比會(huì)在2%-8%隨機(jī)變化。由于AIN的輸入范圍是0.3V至4.6V，對(duì)于以0V為中心或參考0V的輸入信號(hào)，需要增加直流偏置并對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減或放大，以便充分利用整個(gè)輸入范圍。AIN引腳漏電流小于20nA，在精度計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。

圖2.1 AIN-APWM應(yīng)用框圖

圖2.2 APWM占空比 vs AIN電壓值

2.2. AIN-APWM實(shí)測波形

通過在AIN引腳上測試從0.3V到4.6V的階躍響應(yīng)輸入，并捕獲顯示PWM占空比從94%下降到8%的APWM引腳輸出波形，來確定隔離模擬通道的響應(yīng)時(shí)間，該響應(yīng)時(shí)間小于100us，即1個(gè)APWM的周期。

圖2.3 APWM對(duì)于階躍信號(hào)的輸出響應(yīng)

PWM占空比可由MCU直接測量，也可通過RC濾波器以去除高頻載波信號(hào)后再測量。展示模擬信號(hào)輸入到MCU時(shí)的響應(yīng)時(shí)間。由于輸入與輸出呈反比關(guān)系，該信號(hào)進(jìn)行了取反操作。

圖2.4 RC濾波參數(shù)

圖2.5 RC濾波后的APWM對(duì)于階躍信號(hào)的輸出響應(yīng)

使用高精度的臺(tái)式電源在AIN引腳施加直流輸入，測量APWM輸出端占空比并與理論值比較。測試結(jié)果表明，APWM占空比的絕對(duì)誤差極小，可實(shí)現(xiàn)精確測量。

圖2.6 APWM通道的絕對(duì)誤差

03測量功率管模塊結(jié)溫應(yīng)用說明

3.1. NTC特性介紹

在電力電子應(yīng)用中，功率管模塊的結(jié)溫是其重要的參數(shù)之一，市面上許多功率管廠家都會(huì)在模塊內(nèi)部靠近硅片的位置安裝一個(gè)NTC熱敏電阻作為溫度傳感器使用。通過NSI67x0系列集成的AIN-APWM功能測量功率管模塊結(jié)溫，便是其常見的應(yīng)用之一。

但是，功率管模塊內(nèi)部集成的NTC電阻往往具有非線性的特點(diǎn)，在低溫下會(huì)有幾百kΩ，而在高溫下只有幾十Ω，給測量帶來了極大的困難。如果要實(shí)現(xiàn)高精度的測量通常需要有高精度的器件配合復(fù)雜的校正算法。這里納芯微提供幾種常用的測量方法供參考。

圖3.1 市面上某模塊NTC阻值特性

3.2. 方法一 內(nèi)部恒流源直接測量

NSI6730系列AIN引腳內(nèi)部自帶一個(gè)200uA的恒流源，線性范圍為0.3V-4.6V。直接將電流源接在NTC電阻上，顯然會(huì)在高低溫條件下會(huì)超出量程范圍。因此，需要通過串聯(lián)R1來增加高溫下的被測阻值，并聯(lián)R2來減小低溫下的被測阻值。為了減小誤差以及電阻溫漂的影響，盡可能選用千分之一精度的電阻。AIN引腳的電壓計(jì)算公式如下：

圖3.2 內(nèi)部恒流源直接測量電路原理圖

采用該測量方法，具有成本低、電路結(jié)構(gòu)簡單、外圍器件少、便于采樣精度計(jì)算等特點(diǎn)。缺點(diǎn)則是受限于內(nèi)部電流源精度，測量精度較差。

3.3. 方法二 外部搭建電壓源測量

如果要使用外部搭建電壓源測量的方法，優(yōu)先推薦使用納芯微NSI6770系列，AIN引腳內(nèi)部無電流源的版本，去除電流源帶來的影響以提高采樣精度。NSI6770系列專為該應(yīng)用場景打造。

采用此方法時(shí)需要外部構(gòu)建一個(gè)高精度的電壓源，推薦使用精密基準(zhǔn)構(gòu)建一個(gè)外部5V電壓源，具體電路原理圖如下。

圖3.3 采用精密基準(zhǔn)搭建5V電壓源

通過選取合適的R1和R2，充分利用AIN采樣的線性區(qū)間。需要注意的是，R1的阻值不宜選的太小，選的太小會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加，加熱NTC，影響測試結(jié)果。也不宜選的太大，R1電阻太大，會(huì)影響高溫時(shí)的采樣精度。因此需要根據(jù)所選用的功率管模塊內(nèi)部的NTC電阻特性，匹配合適的電阻阻值。

以市面上某功率模塊為例，NTC熱導(dǎo)率為145K/W。假設(shè)測到120攝氏度時(shí)允許1K的溫度偏差，則內(nèi)部NTC的功率損耗不能超過PMAX=6.9mW。若此時(shí)NTC電阻阻值為90Ω，則電流必須要小于8.76mA。因此R1電阻值必須大于480ohm。

圖3.4 電壓源測量電路原理圖

3.4. 方法三 軟件查表法

基于方法一和方法二中提及的NTC電阻采樣電路，配合軟件查表法可以進(jìn)一步提高采樣精度。具體實(shí)施方案如下。

根據(jù)功率管廠家給出的NTC阻值和溫度的關(guān)系，結(jié)合所使用的AIN采樣電路結(jié)構(gòu)，可以計(jì)算得到AIN電壓值和溫度的關(guān)系，通過AIN電壓值和APWM占空比的轉(zhuǎn)化公式，進(jìn)而整理得到APWM占空比和溫度的關(guān)系表，將該表輸入至MCU。實(shí)際應(yīng)用中可以通過查表法配合多項(xiàng)式插值進(jìn)一步提高算法精度。當(dāng)MCU讀到占空比時(shí)，可以通過查表得到所屬區(qū)間，再通過多項(xiàng)式差值法，求得對(duì)應(yīng)溫度。

出廠前需要對(duì)AIN電壓值進(jìn)行單點(diǎn)或多點(diǎn)校正，得到校正系數(shù)后，在后續(xù)測量過程中，將測量結(jié)果乘以校正系數(shù)進(jìn)行校正。

關(guān)于校正系數(shù)計(jì)算說明，首先選擇室溫25℃作為參考點(diǎn)。將高精度溫度計(jì)與設(shè)備放置在同一恒溫環(huán)境，記錄此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的溫度值Tref 。使用示波器測量實(shí)際的APWM占空比Dref 。通過公式計(jì)算修正系數(shù)。如果高低溫誤差較大。也可以進(jìn)行分段校正。

3.5. 誤差計(jì)算

在確定了一個(gè)合適的采樣電路之后，便需要對(duì)于該采樣電路的誤差進(jìn)行計(jì)算。這一步非常重要，一個(gè)合理的誤差分析有利于判斷采樣結(jié)果的可信度以及評(píng)估系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

采樣方法二為例，計(jì)算誤差主要考慮的因素有：NTC阻值的偏差、電壓源的偏差、串并聯(lián)電阻精度偏差以及AIN-APWM占空比轉(zhuǎn)化的偏差。每一個(gè)因素都可視為一個(gè)隨機(jī)誤差，彼此之間相互獨(dú)立，且滿足正態(tài)分布。因此根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)誤差分析，適用“方和根法”來計(jì)算合成誤差。具體公式如下：

其中，σi為第i項(xiàng)的隨機(jī)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，σ總為合成后的總隨機(jī)誤差。

以25℃時(shí)的正向偏差溫度為例，首先將25℃時(shí)的所有參數(shù)都選為典型值得到這個(gè)溫度下AIN電壓的典型值，再通過公式計(jì)算得到APWM占空比的典型值。當(dāng)考慮NTC阻值偏小帶來的影響時(shí)，將其余變量選取典型值參與計(jì)算。將所得AIN采樣電壓值通過公式轉(zhuǎn)換成APWM占空比，再與典型值相減得到正向占空比偏差。將25℃時(shí)的占空比典型值減去24℃時(shí)的占空比典型值得到每攝氏度對(duì)應(yīng)的占空比變化。將正向占空比偏差除以每攝氏度對(duì)應(yīng)的占空比變化即可得到——25℃時(shí)受NTC阻值偏小帶來的正向偏差溫度。同理，電壓源偏小、R1阻值偏大、R2阻值偏小、占空比轉(zhuǎn)換偏小都會(huì)導(dǎo)致溫度正向偏差。依次求解，最終將所有正向偏差溫度根據(jù)方和根法求解得到最終的正向偏差溫度。循環(huán)上述操作步驟即可得到全溫度范圍的偏差。

圖3.5 誤差計(jì)算流程圖

04PCB推薦布局

旁路電容應(yīng)靠近NSI67x0放置，分別連接在VCC1與GND1、VCC2與GND2以及VEE2與GND2之間。

輸入側(cè)的電源的去耦電容建議通過單點(diǎn)接地以避免寄生電感上的電壓尖峰可能會(huì)影響內(nèi)部控制邏輯。

NSI67x0對(duì)外部功率晶體管柵極進(jìn)行充放電的開關(guān)電流較大，這會(huì)導(dǎo)致電磁干擾(EMI)和振鈴問題。應(yīng)通過減小環(huán)路面積并將NSI67x0靠近功率晶體管放置，來盡量降低此環(huán)路的寄生電感。

VEE2引腳和VCC2引腳可以通過大面積鋪銅以實(shí)現(xiàn)散熱。如果系統(tǒng)有多層VEE2或VCC2，則使用多個(gè)尺寸合適的過孔進(jìn)行連接。

為確保初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的隔離性能，芯片下方的空間不應(yīng)有平面層、走線、焊盤或過孔。

圖4.1 推薦布局

納芯微電子(簡稱納芯微，科創(chuàng)板股票代碼：688052;香港聯(lián)交所股票代碼：02676.HK)是高性能高可靠性模擬及混合信號(hào)芯片公司。自2013年成立以來，公司聚焦傳感器、信號(hào)鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業(yè)、信息通訊及消費(fèi)電子等領(lǐng)域提供豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅(qū)動(dòng)”未來，共建綠色、智能、互聯(lián)互通的“芯”世界』為使命，致力于為數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界的連接提供芯片級(jí)解決方案。