英飞凌预驱模块TLE989x的核心功能

以下文章来源于英飞凌汽车电子生态圈，作者Yu Haipeng

英飞凌的MOTIX MCU(SoC)家族产品集成了驱动电机所有基本的模块，包括LDO，MCU，bridge driver，current sense amplifier, CAN/LIN收发器，高压检测等模块。在过去十多年的汽车小电机应用上，该系列产品已得到广泛使用。TLE989x作为全新产品，它的预驱模块也集成了英飞凌最新技术，那究竟有哪些神奇的功能呢?让我一探究竟吧。

Active/Free wheeling 检测功能

在电机控制过程中，电流有时从控制器流向电机，有时反向。在死区时间内，高边和低边的MOS都没有开启，此时电流方向如下图FW线所示。

如果电流流向控制器(电机)，那么只能通过高边(低边)MOS的体二极管流向电源(大地)。此时，我们称高边(低边)为free wheeling MOS，对应的另一侧低边(高边)为active MOS。

如果低边是active MOS，高边是free wheeling MOS。那么在死区时间内，因为电流经过高边二极管流向电源，所以VSHx=VVSD+Vdiode，如下图左侧所示。反之，VSHx=VSL-Vdiode，如下图右侧所示。

在高边或者低边处于free wheeling状态时，我们可以看到在死区时间内，VSH的电压差别很大。因为，TLE989x通过检测死区时间内的VSH电压，从而判断哪个mos是free wheeling状态。

如下图测试结果所示，1号通道是判断结果，2号通道是PWM波形。因为在三相BLDC的FOC控制过程中，相电流是正弦波，所以可以得到1号通道所示的判断结果在不断变化。

时间测量功能

每个半桥在SH引脚处提供两个高速电压比较器，用于测量外部MOSFET导通或关断期间SH电压斜率的开始和结束。

如下图低边MOS控制信号示意图所示，在相应PWM控制信号的每次转换时进行时间测量并把结果存储到寄存器。高边时间测量是类似的原理。

自适应电流驱动功能

MOS开关速度越快(慢)， 其功耗越低(高)，但EMC性能越差(好)。所以用户不得不在功耗和EMC性能指标上，通过调整开关速度，平衡二者关系。

如下图所示，自适应控制模式基于上一章节测到的开关时间，通过调整充放电电流大小，达到用户设定的开关目标时间。这极大降低了用户的工作量，而且一定程度上可以补偿MOS和预驱的参数离散性。

如果MOS处于free wheeling状态，在开启和关闭之前，电流已经通过MOS体二极管达到最大值。此时，用户只需要重点关注功耗，尽快打开MOS，降低损耗。所以采用constant mode是最佳选择。如果MOS处于active状态，在开启和关闭之前，其电流为0，在开关过程中，电流将会从free wheeling MOS逐渐切换到active MOS，所以需要控制电流的斜率dI/dt，采用sequencer mode是最佳选择。

基于此，TLE989x/8x可以基于前文介绍的active/freewheeling状态检测的结果，硬件自动在constant和sequencer mode之间选择。其实测效果如下图所示，第一相的相电流大于0，低边MOS是free wheeling状态。所以其开关模式是constant mode，只能看到一个电流峰值，也是设置最快速度开关MOS，进而在不影响EMC性能的前提下，尽可能降低开关损耗。第二相的相电流小于0，其低边MOS属于active，所以其开关模式是sequencer mode，可以看到多个电流峰值。

停机状态下的短路和开路检测功能

随着电机驱动系统的广泛应用，电机故障的快速检测变得尤为重要。英飞凌的驱动技术在这方面提供了一项创新的解决方案：无需打开驱动，即可检测电机短路和开路的情况。本节将详细解析这一功能的工作原理及实现方法。

一、电机短路检测

在电机驱动系统中，短路故障是常见的问题之一。英飞凌的驱动技术通过巧妙的电路设计，实现了在不启用驱动的情况下检测短路的能力。其工作原理如下：

a. 电路配置

当启用HB上的上MOSFET的下拉诊断电流源（IPddiag）时，上拉诊断电流源（IPudiag）默认处于启用状态。这种配置形成了一个固定电平，电约为1.5V。

b. 短路到地检测

如果电机存在短路到地的情况，LS DS检测比较器会感知到异常。此时，LS DS比较器的输出为0，并置位相关的状态位，以指示故障的发生。

c. 短路到电源检测

类似地，当电机发生短路到电源时，HS DS检测比较器会检测到异常。HS DS比较器的输出同样为0，并置位相关的状态位，提示系统存在短路到电源的故障。

通过这种方式，系统可以在不启用驱动的情况下，快速判断电机的短路故障类型。

二、电机开路检测

除了短路检测，英飞凌的驱动技术还支持电机开路的检测。这种检测方法同样依赖于诊断电流源的配置和比较器的阈值设置。具体实现步骤如下：

a. 电路配置

要检测HB1的开路情况，需启用HB2和HB3的上拉诊断电流源（IPudiag）。此时，比较器的阈值设置为最大值。

b. 正常状态检测

如果HB1未发生开路故障，由于上拉和下拉诊断电流源的比例关系，SH点的电压会稳定在约1.5V。

c. 开路状态检测

如果HB1发生开路，SH点的电压会由于上拉诊断电流源的作用，略高于母线电压。这种电压变化会触发HS DS检测比较器，置位相关状态位以指示开路故障。

然后通过依次启用HB2和HB3的上拉诊断电流源，系统可以按照相同的流程检测HB2和HB3的开路情况。

注意事项: 在启用下拉诊断电流源时，需等待一段时间（时间与电机感量有关），以确保电平达到稳定状态后再进行诊断。官方提供了样例函数供用户参考。

TLE9893通过精巧的电路设计和诊断逻辑，实现了在不启用驱动的情况下检测电机短路和开路的功能。这种方法不仅提高了系统的安全性，还节省了能耗，为电机驱动系统的可靠性提供了有力保障。

Vds保护功能

在驱动工作的时候，为了保护MOS不会因为短路，直通等故障烧毁。驱动还带有对开关状态的 MOS DS 电压检测 以及比较器保护功能。

如下图所示，VDS的比较器阈值可设置从0.125V一直到1.75V。分辨率在0.25V一档。比较器的相应时间较快加上相应的滤波，us级别就可以触发硬件级别的桥驱关断。

同时在 VDH引脚，SH引脚，都芯片内部连接到了 AD接口。可以辅助作为诊断。

上面所说的 VDS检测主要用于短路保护。对于基于详细电流阈值的保护，用户可以使用TLE9893运放模块集成的比较器，该模块可以设定各种阈值，也会在 us级别相应。 同时CSA的输出内部连接到AD，做辅助检测。

两级电荷泵

TLE9893内部集成两级charge pump。可以配置成两级工作，也可以配置成自动根据VSD的ADC的比较输出来切换，阈值可以自己设置。这样在电压下降的情况下，也可以切换成一级charge pump 来节约电流消耗。内部charge pump 时钟也是自带硬件抖频功能。

TLE9893带有 VCP和 VSD的差值比较器，在电压过低的时候可以直接置位关掉预驱，降低系统不确定性。VCP和 VSD也会同时连接到 ADC来辅助判断

写在最后

除了上文提到的各种先进的功能外，TLE989x的预驱模块还集成了以下丰富的功能：

低功耗模式下的反向电动势过压唤醒功能。唤醒以后，用户可以通过软件进行制动，从而减小反向电动势对机械结构和电子器件带来的不利影响。

过温保护，过压保护等基本功能。

英飞凌先进的预驱技术，不仅能为用户设计带来便利，而且能够进一步提高系统的稳定性。