正確理解DRV8705-Q1的VGS檢測機制

作者：Frank Qin

Abstract

隨著汽車電子的快速發展，汽車上很多電機的驅動方式已經從傳統繼電器逐漸演變成為MOSFET驅動的直流電機。同時，為了實現更高速和更精確的控制，現在對于MOSFET預驅的要求也逐漸變高。DRV8705-Q1作為一款高度集成式 H 橋柵極驅動器不僅可以滿足現在越發精細的需求，也可以實現更多元的保護，確保系統運行過程中的各種風險和錯誤都可以被識別到并實施保護。本文即具體討論DRV8705-Q1的VGS檢測機制以及一些經驗分享。

Contents

1. 背景介紹............................................................1

2. 診斷和保護類型..................................................2

2.1 VGS監控機制................................................... 2

2.2 VGS監控觸發點：tDRIVE 以及deglitch time.......3

2.3 VGS報錯和恢復機制......................................... 4

2.4 VGS監控和INx信號反轉的關系......................... 4

3..... Corner case舉例............................................ 5

4..... 總結................................................................ 6

參考文獻..................................................................6

Figures

Figure 1.       DRV8705內部設計示意框圖......................................... 2

Figure 2.       VGS錯誤檢測的觸發點和有效區間................................. 3

Figure 3.       VGS報錯和不報錯的兩種情況........................................ 4

Figure 4.       MOSFET閉合太緩導致的VGS誤報舉例....................... 6

1. 背景介紹

DRV8705-Q1 是一款高度集成式 H 橋柵極驅動器，能夠驅動高側和低側 N 溝道功率 MOSFET。它可使用集成式倍增電荷泵（針對高側）和線性穩壓器（針對低側）生成合適的柵極驅動電壓。DRV8705-Q1 提供了一系列保護功能，可確保系統穩定運行。此類功能包括適用于電源和電荷泵的欠壓和過壓監控、適用于外部 MOSFET 的 VDS 過流和 VGS 柵極故障監控、離線開路負載和短路診斷，以及內部熱警告和熱關斷保護功能。DRV8705-Q1有兩種版本，H版本為硬線版本，可以簡化控制并節省MCU引腳資源。S版本為SPI控制，可以詳細配置和診斷。

2. 診斷和保護類型

DRV8705-Q1可以支持多種診斷和保護類型，包括運行前的系統監控（offline diagnostic）和運行中的故障監控：對于電源和電荷泵的欠壓及過壓監控、針對外部MOSFET的VDS和VGS柵極故障監控、離線開路負載和短路檢測，以及內部熱警告和熱關斷保護。其中為了保護外部MOSFET，VGS檢測和保護尤為重要：通過對外部MOSFET的VGS電壓的監控并控制MOSFET的開關，可以有效防止MOSFET的柵極短路錯誤或柵極電壓卡在高位或低位的情況。

Figure 1. DRV8705內部設計示意框圖

2.1 VGS監控機制

VGS（柵源電壓）是柵極相對于源極的電壓，VTH（閾值電壓）是MOSFET導通或截止的閾值。柵源電壓（VGS）與閾值電壓（VTH）之間的關系直接決定了MOSFET的導通與截止狀態。要實現 MOSFET的開關功能，需要確保 VGS 大于 VTH。在MOSFET導通時，柵源電壓（VGS）大于閾值電壓（VTH），溝道形成，電流可以通過器件。而在MOSFET截止時，柵源電壓（VGS）小于閾值電壓（VTH），溝道被堵塞，電流無法通過。

因此DRV8705通過監控VGS和設定的閾值VGS_LVL做比較（如圖1），來判定MOSFET是否正確的導通或者截止。以此來防止輸出錯誤、柵極短路以及上下管直通的問題。VGS_LVL可以通過寄存器9h bit1來修改，有1V和1.4V兩個選項。VGS fault會在VGSHx和VGSLx的上升沿和下降沿做檢測，當在tDRIVE時間內沒有檢測到VGS電壓穿過VGS_LVL時，就會報出VGS fault的錯誤，芯片停止輸出并提出警報（拉低nFAULT或WARN）。所以datasheet的Table 7-9將VGS觸發條件標注為VGS > VGS_LVL是不夠嚴謹的，應以datasheet章節7.3.8.8 Gate Driver Fault (VGS_GDF)中描述的“cross”為準，可以包含上升沿和下降沿的兩種情況。

2.2 VGS監控觸發點：tDRIVE 以及deglitch time

MOSFET正在打開或者閉合的這個時間稱之為tDRIVE，也就是VGSHx和VGSLx這兩個電壓正在上升或者下降的時間（如圖2）。對于VGS錯誤檢測來說，tDRIVE時間就是blanking time，這個時間內VGS相對于閾值的關系是不會被關注的。而deglitch time是真正去判斷VGS和閾值之間相互關系的時間區間，對于DRV8705-Q1來說，無論是S還是H版本，deglitch time都固定在2us。也就是意味著如果VGS在這2us的時間內依然沒有穿過閾值，芯片會在認為MOSFET沒有正確地打開或者關閉，芯片會在2us結束后報錯。

Figure 2. VGS錯誤檢測的觸發點和有效區間

圖2中綠色部分比較直觀地展示了檢測VGS fault的場景，即VGSHx和VGSLx在上升沿和下降沿的tDRIVE（blanking time）結束后開始檢測，deglitch time是緊接著tDRIVE結束后立即開始的。在綠色區域的時間內檢測到的VGS錯誤都會在2us的deglitch time結束后報錯。圖3舉例說明了VGS報錯和不報錯的兩種情況。

Figure 3. VGS報錯和不報錯的兩種情況

請注意，對于DRV8705-Q1來說，tDRIVE的時間并不是由MOSFET決定的。H版本的tDRIVE固定為4us，S版本的tDRIVE是可以通過寄存器調整的（2~96us）。因此，在利用DRV8705-Q1s設計時，請根據選用的MOSFET型號以及配置的IDRIVE電流確定合適的芯片tDRIVE時間。判斷標準為，需保證MOSFET打開或閉合的時間不長于DRV8705-Q1的tDRIVE時間，否則極有可能被芯片判斷為VGS fault。

2.3 VGS報錯和恢復機制

當VGS fault被診斷出后，DRV8705S-Q1可以支持四種不同的報錯和恢復機制，可以根據實際系統需要進行選擇：

1. Latched Fault Mode：發現錯誤后，驅動停止使能，nFAULT pin、FAULT寄存器和VGS寄存器都會報錯。而且當故障移除后必須通過手動清除CLR_FLT寄存器才可以重置并恢復驅動。

2. Cycle by Cycle Mode：發現錯誤后，驅動停止使能，nFAULT pin、FAULT寄存器和VGS寄存器都會報錯。當下一個PWM信號進來后，驅動即可自行恢復。但是VGS寄存器仍會留存信息，需要手動清除CLR_FLT寄存器。

3. Warning Report Only Mode：發現錯誤后芯片只會通過寄存器和WARN提示，并不會中止輸出。

4. Disabled Mode：發現錯誤后不會有任何的反饋和提醒。

DRV8705H-Q1版本是固定在了Cycle by Cycle Mode，tDRIVE和deglitch time也都是固定不可調的。

2.4 VGS監控和INx信號反轉的關系

DRV8705-Q1支持PWM控制，因此MOSFET上下管的開閉也是可以通過PWM不同的占空比來實現不同的開閉頻率。因此代表PWM信號反轉的INx信號可以看作是MOSFET開閉動作的觸發。如圖2所示，每次INx信號反轉都出發了MOSFET上管或下管的閉合。

但是，當占空比很小時，INx的反轉信號很可能會落在tDRIVE或deglitch time這個區間中。INx落在不同的地方也會給VGS診斷帶來不同的影響，VGS診斷報錯也會做出不同的反饋。根據IN信號發生反轉的不同時間點，以DRV8705H-Q1（tDRIVE=4us）為例，三種情況分類如下：

1. 當IN信號反轉發生在blanking/tDRIVE time(4us)內，此時是VGS的blanking time，錯誤不會被識別。而新周期的診斷會隨著IN信號反轉同步開始。

2. 當IN信號反轉發生在deglitch time(2us)內，此時如果有相應錯誤已經達成觸發條件，nFAULT依然會在deglitch time后報錯。而新的診斷是隨著IN信號反轉同步開始。

3. 當IN信號反轉發生在blanking和deglitch time（4+2us）之后，隨著IN反轉，上一個診斷直接停止，進入下一個周期的診斷。

3. Corner case舉例

如下圖4的示波器截圖，測試芯片是H版本的DRV8705H-Q1。其中綠色是IN信號，藍色是VGSHx，粉色是VGSLx，黃色是nFAULT信號，X軸每格是2us。

從波形可以看出，黃線nFAULT拉低表示報錯，芯片判斷為VGS  fault，nFAULT拉低的時間正好大約是IN信號拉高的6us之后，也就是tDRIVE+deglitch的（4+2）us。從綠色的IN信號可以算出，此時的PWM（50Hz）占空比很高，是92%，MOS管上管下降很緩，沒能在IN高電平的時間內完成下降，粉線表示的下管沒有成功開啟，可以看到此時藍線表示的上管已經開始第二次開啟。從波形圖可以清楚看到，由于MOSFET下降太緩，導致沒能完成閉合。這個case巧合的地方在于，IN信號反轉的時間點正好和tDRIVE時間結束也就是deglitch time診斷開始的時間點是重合的。對于VGS診斷來說，此時就正式開始監控，而恰好此時IN信號發生反轉，則VGS診斷直接記錄了此時的VGS電壓并在2us的規定動作之后報錯拉低了nFAULT。

這個case雖然巧合，恰好因為PWM占空比的IN反轉信號踩在了blanking time結束的時間點，觸發了診斷報錯。但是真正引發錯誤的根本原因是MOSFET下降太緩，沒有在tDRIVE的時間內完成下降而觸發了錯誤。因此在配置tDRIVE時間以及MOSFET選型時，這是需要注意規避的要點。

Figure 4. MOSFET閉合太緩導致的VGS誤報舉例

4. 總結

DRV8705-Q1作為一款集成了多種診斷和保護功能的H橋柵極橋驅芯片，可以靈活應用在各類需要馬達驅動的汽車類應用中。正確理解DRV8705-Q1的診斷和保護模式也可以更好地利用該芯片實現安全高效地應用。

參考文獻

1. DRV8705-Q1 數據手冊 (SLLSFB6A)

2. Smart Gate Drive (SLVAE70)

3. Understanding Smart Gate Drive (SLVA714D)