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用于外部N通道功率mosfet的全桥控制器A4940

2020-9-29 16:51:51  79 ADA4940
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特点和优点
▪ N沟道MOSFET全桥大电流栅驱动
▪ 每个MOSFET的独立控制
▪ 低电源电压运行的电荷泵
死区时间可调的交叉传导保护
▪ 5.5至50 V电源电压范围
▪ 诊断输出
▪ 低电流睡眠模式
包装:24针TSSOP,带外露热垫(后缀LP)

说明
A4940是一个全桥控制器,用于外部N通道功率mosfet,是专为汽车应用与大功率电感负载,如刷直流电机。
一个独特的电荷泵调节器提供完整的(>10V)栅极驱动,电池电压低至7V,并允许A4940操作与降低栅极驱动,低至5.5V。
自举电容器用于提供N通道mosfet所需的上述电池供电电压。一个独特的自举电荷管理系统确保自举电容器始终充满电,以供应高压侧栅极驱动电路
每一个功率mosfet都是独立控制的,但所有的mosfet都受到保护,不受由外部电阻配置的死区时间的影响。
综合诊断提供欠压和超温故障指示。
A4940采用24针TSSOP电源包供电,带有外露的衬垫,以增强散热(封装类型LP)。不含铅,100%哑光锡引线框架电镀(后缀-T)。
典型应用

功能框图

门驱动时序图

功能描述
A4940是一个全桥MOSFET驱动器(前置驱动器),需要7到50伏的无调节电源和3到5.5伏的逻辑电源。
四个栅极驱动器能够驱动广泛的N通道功率mosfet,并配置为两个高端驱动器和两个低端驱动器。A4940提供了所有必要的电路,以确保高压侧和低压侧外部mosfet的栅极源电压均高于10 V,电源电压降至7 V。对于极端的电池压降条件,在电源电压降至5.5 V,但栅极驱动电压降低的情况下,可保证正常工作。
A4940提供微控制器的逻辑级输出和全桥配置的N通道功率mosfet的高电流、高压栅极驱动之间的接口。通常,功率全桥将用于电刷直流电机控制或其他大电流电感负载。电桥中的每个MOSFET由一个独立的逻辑电平输入控制,该输入与3.3或5v逻辑输出兼容。外部电桥中的交叉传导(射穿)可通过可调死区时间来避免。
低功耗睡眠模式允许A4940、电源桥和负载保持与车辆蓄电池电源的连接,而无需额外的电源开关
A4940提供一个单一的故障标志来指示欠压和超温条件。
电源
需要两个电源连接,一个用于逻辑接口,另一个用于模拟和输出驱动部分。连接到VDD的逻辑电源允许3.3或5 V逻辑接口的灵活性。主电源应通过反向电压保护电路连接到VBB。两个电源都应与连接在电源和接地引脚附近的陶瓷电容器分离。
A4940在规定的参数范围内工作,VBB电源的电压范围为7至50 V,电源电压低至5.5 V时将正常工作。这为在恶劣的汽车环境中使用提供了一个非常坚固的解决方案。
门驱动器
A4940设计用于驱动外部、低导通电阻、功率N通道mosfet。它提供快速充放电所需的大瞬态电流,以减少开关过程中MOSFET内部的损耗。充电和放电速率可以通过与MOSFET栅极串联的外部电阻来控制。
栅极驱动电压调节栅极驱动器由一个内部调节器供电,该调节器限制驱动器的供电,从而限制最大栅极电压。当VBB电源大于16v时,调节器是一个简单的线性调节器。低于16V时,稳压电源由电荷泵升压转换器维持,该转换器需要在CP1和CP2引脚之间连接一个泵电容器。该电容器的最小值必须为220 nF,通常为470 nF。
可在VREG引脚上获得13 V的调节电压。必须将足够大的存储电容器连接到此管脚,以向低端驱动器和引导电容器提供瞬态充电电流。
GLA和GLB针这些是外部N通道mosfet的低端栅极驱动输出。栅极驱动输出和栅极到MOSFET的连接(尽可能接近MOSFET)之间的外部电阻可用于控制栅极处看到的转换速率,从而提供对SA和SB输出的di/dt和dv/dt的一些控制。GLx走高会打开驱动器的上半部分,向外部电源桥中的低边MOSFET栅极提供电流,并将其打开。GLx变低会打开驱动器的下半部分,从外部MOSFET栅极电路向GND引脚注入电流,关闭MOSFET。
SA和SB PinsGHA和GHB Pins直接连接到电机上,这些端子感应负载上的电压。这些端子还连接到自举电容器的负极,是浮动高端驱动器的负极电源连接。来自高侧MOSFET栅极电容的放电电流流过这些连接,这些连接应该具有到MOSFET电桥的低阻抗电路连接。这些终端是外部N通道mosfet的高端栅极驱动输出。栅极驱动输出和栅极到MOSFET的连接(尽可能接近MOSFET)之间的外部电阻可用于控制栅极处看到的转换速率,从而控制SA和SB输出的di/dt和dv/dt。GHx高功率运转会打开驱动器的上半部分,向外部电机驱动桥中高侧MOSFET的栅极提供电流,并将其打开。GHx变低打开驱动器的下半部分,从外部MOSFET栅极电路向相应的Sx引脚注入电流,关闭MOSFET。
CA和CB引脚这些是自举电容器的高压侧连接,是高压侧栅极驱动器的正电源。当相关输出Sx端子低时,自举电容器充电到大约VREG。当Sx输出振荡高时,自举电容器上的电荷使相应Cx端子上的电压随输出升高,以提供高侧mosfet所需的升压栅极电压。
RDEAD引脚该引脚控制MOSFET开关过程中死区时间的内部产生。栅极驱动电路防止了交叉传导,在关闭一个MOSFET和打开互补MOSFET之间引入了死区tDEAD。
•当RDEAD和AGND之间连接的外部电阻大于3 kΩ时,死区时间由电阻值得出。
•当RDEAD直接连接到VDD时,tDEAD默认值为6μs(典型值)。
逻辑控制输入
四个低压电平数字输入为栅极驱动器提供控制。这些逻辑输入都具有典型的500毫伏的滞后,以提高噪声性能。它们提供对每个功率MOSFET的单独直接控制,可防止交叉传导,并可一起使用,以提供高侧或低侧再循环的快衰减或慢衰减。
AHI,ALO,BHI和BLO Pins它们直接控制门驱动器。xHI输入控制高端驱动器和xLO输入控制低端驱动器。内部锁定逻辑确保高压侧输出驱动和低压侧输出驱动不能同时激活。表1显示了逻辑真值表。
复位引脚这是一个激活的低输入,激活时允许A4940进入睡眠模式。当复位保持在低位时,调节器和所有内部电路被禁用,A4940进入睡眠模式。在完全进入睡眠模式之前,调节器去和存储电容器放电时存在短延迟。这通常需要几毫秒,具体取决于应用程序条件和组件值。
休眠模式下,VBB电源的电流消耗降至最低水平。此外,锁定的故障和相应的故障标志被清除。当A4940脱离休眠模式时,保护逻辑确保栅极驱动输出关闭,直到电荷泵达到其正确工作状态。在标称条件下,充油泵在约3 ms内稳定。
重置也可用于在不进入睡眠模式的情况下清除锁定的故障标志。为此,在复位脉冲时间tRES内保持复位低点。这将清除锁定的引导电容器欠压故障,该故障将禁用输出。
注意,A4940可以配置为在没有任何外部逻辑输入的情况下启动。为此,请通过外部电阻器将复位销拉到VBB。电阻值应在20到33 kΩ之间。
诊断
A4940集成了一些诊断功能,以提供故障状态指示。除了系统范围内的故障,如欠压和过热,A4940集成了每个自举电容器的单独自举电压监视器。

故障引脚这是一个开路漏极输出故障标志,通过其状态指示故障状态,如表2所示。必须使用外部电阻(通常为10至47 kΩ)将其拉至VDD。
故障状态
超温如果接头温度超过超过超过温度阈值(典型值170°C),A4940将进入超温故障状态,故障将变低。过温故障状态和故障只有在温度下降到以下定义的恢复水平时才会清除TJF–TJFHYS。
不会禁用任何电路。外部控制电路必须采取行动,以某种方式限制功耗,以防止过热损坏A4940芯片和不可预知的设备操作。
VREG欠压VREG提供低端门驱动器
以及引导电荷电流。在启用任何输出之前,确保电压足够高是至关重要的。如果VREG、VREG处的电压低于下降的VREG欠压锁定阈值VREGUVOFF,则A4940将进入VREG欠压故障状态。在此故障状态下,故障将为低,输出将被禁用。当VREG上升到高于VREG欠压锁定阈值VREGUVON时,VREG欠压故障状态和故障标志将被清除。
VREG欠压监测电路在通电期间处于激活状态,A4940保持在VREG欠压故障状态,直到VREG大于上升的VREG欠压锁定阈值VREGUVON。
自举电容器欠压A4940监控单个自举电容器的电压,以确保它们有足够的电荷为高电压提供电流脉冲-表2。故障定义侧面驱动。在打开高压侧驱动器之前,相关引导电容器上的电压必须高于打开电压限制。如果不是这样,则A4940将通过激活辅助低端驱动器启动引导充电循环。在正常情况下,这将在几微秒内使引导电容充电到高于开启电压,然后将启用高端驱动器。
当高压侧驱动器激活时,引导电压监视器保持激活状态,如果电压降至关闭电压以下,将启动充电循环。
在任何一种情况下,如果存在阻止引导电容器充电的故障,则充电周期将超时,故障将很低,并且输出将被禁用。引导欠压故障状态保持锁定,直到重置设置为低。
VDD欠压监控VDD的逻辑电源以确保正确的逻辑操作。如果VDD,VDD处的电压低于下降的VDD欠压锁定阈值,VDDUVOFF,则A4940将进入VDD欠压故障状态。在此故障状态下,故障将为低,输出将被禁用。此外,由于无法保证报告的其他故障的状态,所有故障状态都将重置并替换为VDD欠压故障状态。例如,VDD欠压将重置现有的boostrap欠压故障条件,并将其替换为VDD欠压故障。当VDD上升到VDDUVOFF+VDDUVHYS定义的上升VDD欠压锁定阈值以上时,VDD欠压故障状态和故障标志将被清除。
VDD欠压监测电路在通电期间处于激活状态,并且A4940保持在VDD欠压故障状态,直到VDD大于上升的VDD欠压锁定阈值VDDUVOFF +VDDUVHYS。

应用程序信息
死亡时间
为了防止功率MOSFET桥的任何相位的交叉传导(穿透),必须在高侧或低侧关断和下一个互补开断事件之间有一个死区延时tDEAD。当任何互补的高边和低边mosfet对同时被切换时(例如,当使用同步整流时或在自举电容器充电循环后),会发生交叉传导电位。在A4940中,两个相位的死区时间由一个死区时间电阻器RDEAD在RDEAD和AGND引脚之间设置。
对于25°C时介于3和240 kΩ之间的RDEAD,tDEAD(ns)的值可近似为:

其中RDEAD是kΩ。图1说明了tDEAD和RDEAD之间的关系,RDEAD值在6和60 kΩ之间获得的最大精度。
IDEAD电流可通过以下方式估算:

通过将RDEAD引脚直接连接到VDD,可以设置6μs的最大死区时间。
或者,可以通过将RDEAD引脚直接连接到GND来禁用A4940中的死区时间。在这种情况下,所需的死区时间必须由外部控制器提供。
功率MOSFET和外串联栅极电阻的选择决定了死区电阻RDEAD的选择。死区时间应该足够长,以确保一个相中的一个MOSFET在互补MOSFET开始导电之前已经停止导电。这还应考虑到MOSFET栅极电容、串联栅极电阻和A4940内部驱动器导通电阻的公差和变化。
只有当一个MOSFET在其互补MOSFET的off命令之后出现在tDEAD内。在相位驱动的一侧永久关闭的情况下,例如使用具有缓慢衰减的二极管整流时,则不会出现死区时间。在这种情况下,在相应的相位输入变高后,栅极驱动器将在指定的传播延迟内打开。(参考门驱动时序图。)
制动
A4940可用于执行动态制动,强制所有低压侧mosfet打开和高压侧mosfet关闭(ALO=BLO=1,AHI=BHI=0),或相反,强制所有低压侧关闭和高压侧打开(ALO=BLO=0,AHI=BHI=1)。这有效地短路了电机的反电动势,产生了一个断开扭矩。
制动时,负载电流可近似为:

其中Vbemf是电机产生的电压,RL是相绕组的电阻。
制动时必须小心,以确保不超过功率mosfet的最大额定值。动态制动相当于同步整流的慢衰减。
自举电容器的选择
必须正确选择引导电容器CBOOTx,以确保A4940正常工作。如果电容太高,充电电容会浪费时间,从而限制最大占空比和脉宽调制频率。如果电容太低,在电荷从CBOOTx转移到MOSFET栅极时,由于电荷共享,会有很大的电压降。
为了保持这个电压降很小,自举电容器QBOOT中的电荷应该比MOSFET的栅极QGATE所需的电荷大得多。系数20是一个合理值,可以使用以下公式计算CBOOT的值:

其中VBOOT是引导电容器上的电压。
当MOSFET导通时,引导电容器上的电压降ΔV可近似为:

所以对于20的因子,ΔV大约是VBOOT的5%。
在正常工作条件下,自举电容器的最大电压为VREG(max)。在大多数应用中,有一个好的陶瓷电容器,工作电压可以限制在16伏。
自举充电
在要求高压侧脉冲宽度调制周期之前,最好确保高压侧自举电容器完全充电。电容器充电所需的时间tCHARGE(μs)近似为:

其中CBOOT是自举电容器的值,单位为nF,而ΔV是自举电容器的所需电压。
通电后,当驱动器长时间禁用时,引导电容器可以完全放电。在这种情况下,可将ΔV视为全高侧驱动电压,12 V。否则,ΔV是电荷转移过程中电压下降的量,应为400 mV或更小。当Sx引脚被拉低,电流从VREG通过内部引导二极管电路流向CBOOT时,电容器充电。
自助收费管理
A4940提供自动引导电容充电管理。对每相的自举电容器电压进行连续检查,以确保其高于自举欠压阈值VBOOTUV。如果自举电容器电压低于此阈值,当相应的高压侧激活时,A4940将打开必要的低压侧MOSFET,并继续充电,直到自举电容器超过欠压阈值加上滞后,VBOOTUV+VBOOTUVHYS。
如果引导电容器电压低于阈值,当相应的高压侧被命令打开时,A4940将不会尝试打开高压侧MOSFET,而是打开必要的低压侧MOSFET来对引导电容器充电,直到它超过欠压阈值加上滞后。
最小充电时间通常为7μs,但对于非常大的自举电容器值(>1000nf),充电时间可能更长。如果自举电容器电压在大约200μs内未达到阈值,则会标记欠压故障。
VREG电容器的选择
内部参考电压VREG为低压侧栅极驱动电路提供电流,为自举电容器提供充电电流。当低边MOSFET被打开时,栅极驱动电路将向栅极提供快速打开MOSFET所需的高瞬态电流。这种电流可以是几百毫安,不能由VREG调节器的有限输出直接提供,必须由连接到VREG引脚的外部电容器提供。
高侧MOSFET的导通电流与低侧MOSFET的导通电流相近,但主要由自举电容提供。然而,自举电容器必须从VREG调节器输出重新充电。不幸的是,引导充电可能发生在很短的时间后,低压侧打开发生。这要求VREG和AGND之间连接的电容值应足够高,以便在低压侧MOSFET通电和自举电容充电的组合下,将VREG上的瞬态电压降降降至最低。20×CBOOT是一个合理的值。最大工作电压永远不会超过VREG,因此电容器的额定电压可以低至15 V。该电容器应尽可能靠近VREG引脚放置。
电源去耦
因为这是一个开关电路,所以开关点的所有电源都有电流尖峰。与所有此类电路一样,电源连接应与电源引脚和接地之间的陶瓷电容器(通常为100 nF)分离。这些电容器应尽可能靠近设备电源引脚、VDD和VBB以及接地引脚、GND。
功耗
在预期环境温度较高的应用中,片上功耗可能成为一个关键因素。应注意确保操作条件允许A4940保持在连接温度的安全范围内。
A4940,PD消耗的功率可通过以下方式估算:

鉴于

其中N是在一个PWM周期内mosfet开关的数量。N=1表示二极管再循环慢衰变,N=2表示同步整流慢衰变或二极管再循环快衰变,N=4表示同步整流快衰变。
布局建议
在设计高频、快速开关、大电流电路时,必须仔细考虑PCB版图。以下是关于其中一些考虑因素的建议:
•外部mosfet的A4940接地、接地和高电流回路应分别返回到电机电源滤波电容器的负极。这将最小化开关噪声对器件逻辑和模拟参考的影响。
•外露的热垫应连接至接地引脚,并可能构成控制器电源接地的一部分(见图2)。
•通过在所有功率mosfet的漏极和源极端子上使用短而宽的铜线,将杂散电感降至最低。这包括电机引线连接、输入电源总线和低压侧功率mosfet的公共电源。这将使快速切换大负载电流所产生的电压最小化。
•考虑在功率mosfet的源极和漏极之间使用小型(100nf)陶瓷去耦电容器,以限制电路轨迹电感引起的快速瞬态电压尖峰。
•RDEAD的接地连接应独立地直接连接到AGND引脚。此敏感部件不得直接连接到电源公共线或公共接地平面。它必须直接引用AGND pin。
•VBB、VREG和VDD的电源去耦应连接至控制器电源接地,控制器电源接地在接地引脚附近独立连接。去耦电容器也应尽可能靠近相关电源引脚。
请注意,以上只是建议。每个应用程序都不同,可能会遇到不同的敏感度。一个运行几安培的驱动器比一个运行150安培的驱动器更不易受影响,每个设计都应在最大电流下进行测试,以确保消除任何寄生效应。

投入产出结构

包装LP 24针TSSOP,带外露热垫



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