SiLM94112在大電容負載應用中的啟動對策

本文主要闡述了多路半橋驅動SiLM94112芯片應用中，過流保護功能及大電容負載啟動的應對策略。

SiLM94112概述及過流檢測介紹

SiLM94112 是一款帶有多種保護功能的十二路半橋驅動芯片，廣泛應用于汽車應用中的各種電機控制。通過 SPI 通信接口，SiLM94112 可以實現靈活的電機控制。該芯片具有正向、反向、剎車等多種控制模式。PWM 模式下可配置 80Hz，100Hz，200Hz和 2kHz 四種頻率。SiLM94112 集成了多重保護診斷功能，包括短路、過流、開路、電源故障及過溫保護等。保護和診斷功能對于系統應用來說具有重要意義，診斷特性可以提高應用系統的魯棒性和可靠性。在正常運行過程中，如果負載出現短路或者過流的情況，芯片的過流保護會發生作用，對系統起到保護作用。但是對于帶大容性負載啟動的一些應用中，在啟動階段也會出現過沖電流，如果此時的沖擊電流維持時間大于過流保護濾波時間，將會導致系統啟動失敗，本篇文檔主要闡述大電容負載下啟動應對策略。

SiLM94112過流保護原理

SiLM94112 過流保護如圖 1 和圖 2 所示。輸出電流超過過流檢測閾值 ISD，如果電流繼續增大會被內部 ILIM 限住，若持續時間大于過流關斷濾波時間 tdSD 時，會觸發過流保護，相應寄存器報錯，輸出關閉變為高阻狀，同時輸出會被鎖住。

圖 1. SiLM94112 高邊過流

圖 2. SiLM94112 低邊過流

SiLM94112 在導通內部集成 MOSFET 時，通過檢測內部 MOSFET 兩端電壓差大小，將得到的電壓差值與基準值在一定時間內持續進行比較，從而判斷外部輸出負載是否過流。若電壓差值大于基準值，且持續時間大于濾波時間，芯片上報過流故障。

下面簡單介紹過流檢測內部工作原理。如圖 3 所示，OUT 為輸出端電壓，VS 為工作電源，Vref1，Vref2 為內部參考電位，OC_L 為下管發生過流產生的過流信號，OC_H 為上管發生過流產生的過流信號 ，EN_L、EN_H 分別為內部比較器的使能端。檢測原理如下：若打開上管，EN_H 為高，使能高邊 OC 比較器，檢測比較 Vref1 與 VS-OUT 的大小，若負載電流很大，OUT 端電壓過低，OC_H 將變高，產生過流信號 OC。同理，若打開下管，EN_L 為高，使能低邊 OC 比較器，檢測比較 Vref2 與 OUT 的大小，若 OUT 端電壓過高，OC_L 也會變高，也會產生過流信號 OC。

圖 3. 過流檢測示意圖

大電容負載啟動應對策略

根據電容基本公式：

電容充電電流大小與負載電容，電容端電壓變化的速率相關。在系統啟動的過程中，如果負載電容 CLOAD過大或者輸出電壓變化速率dVOUT/dt 過快，將產生較大的電容充電電流I，導致芯片內部檢測到過流信號，如果充電時間持續時間大于過流檢測濾波時間，那么就會出現過流告警，啟動失敗。根據上述原理，下面主要闡述容性負載啟動的應對措施。

第一種方案，直接直流輸出啟動，如圖 4所示，對于小電容負載可以采用此種方法。但是隨著輸出電容變大，可能會存在沖擊電流過大而導致過流，系統無法正常啟動。SiLM94112 可以通過寄存器OLDN_DT_SR_CTRL 中的 SR_CTRL 來配置合適的輸出擺率從而避免啟動階段的過流現象：設置的擺率越小，電壓爬升的速度越慢，電容充電電流越小，就越不容易產生過流現象。該方法簡單，但是也具有局限性。當負載電容容量進一步加大時還是存在過流的可能，需要其他方法配合來一起解決。

圖 4. 電容負載直接啟動示意圖

第二種方案，采用 PWM 方式進行啟動，如圖 5 所示。與直流直接啟動方式相比，該方案可以有效控制輸出高電平時間，也即電容充電的有效時間。PWM 工作情況下的導通時間越短，產生過流的機率越低。還可以通過控制 PWM 的有效高電平，形成輸出不同直流平臺，縮短最終電壓平臺差異，減小電流沖擊。下面以SiLM94112 使用 PWM1 通道在輸出 OUT4 產生頻率為2000Hz，占空比 2% PWM波為例，介紹具體的大電容負載啟動的PWM配置步驟：

第一步：通過寄存器 HB_MODE_CTRL 為半橋通道配置合適的PWM 通道，HB_MODE_1_CTRL =0x40。

第二步：通過寄存器 PWM_DC_CTRL 為半橋通道設置合適的占空比，PWM1_DC_CTRL=0x05。

第三步：通過寄存器 PWM_CH_FREQ_CTRL 或者OVP2_2k_CTRL 配置合適的工作頻率，OVP2_2k_CTRL=0x10。

第四步：通過寄存器 FW_CTRL 配置為 Passive free-wheeling 工作模式，FW_CTRL1=0x20。

第五步：通過寄存器 HB_ACT_CTRL 配置 HSn 或 LSn，激活相應通道，HB_ACT_1_CTRL=0x80。

圖 5.電容負載 PWM 方式啟動示意圖

實驗測試驗證

根據上述應對策略，搭建試驗電路如圖 6 所示。下面分別測試了在不同上升斜率，不同電容負載下直接啟動情況以及在 PWM 運行，不同 PWM 頻率相同占空比和相同 PWM 頻率不同占空比下的啟動表現。

圖 6. 電容負載啟動測試圖

1

不同上升斜率下電容負載直接輸出啟動波形

當 VS=16V ，RLOAD=100?, CLOAD=3.3uF,在不同上升斜率下，啟動電流波形如圖 7 和圖 8 所示。可以看到，上升斜率SR 為 0.2V/us 的時候，電容充電電流理論值為 0.66A，可以正常啟動。當上升斜率 SR 增大為 3V/us 的時候，電容充電電流理論值為 9.9A，觸發了過流，無法正常啟動。

圖 7. SiLM94112 電容負載啟動波形，

Slew Rate=0.2V/us（001）

CH1: VOUT4; CH2: IOUT4

圖 8. SiLM94112 電容負載啟動波形，

Slew Rate=3V/us（111）

CH1: VOUT4; CH2: IOUT4

2

不同電容負載下直接直流輸出的啟動波形

當 VS=16V，RLOAD=42?, 上升斜率 SR=0.1V/us(001)，在不同電容負載下的啟動電流波形如圖 9和圖 10 所示。可以看出，電容負載較小為 4.7uF 時, 電容充電電流理論值為 0.47A，外加負載電阻0.38A，總電流達 0.85A，可以直接啟動。當電容負載增大至 10uF時，電容充電電流理論值為 1A，外加負載電阻 0.38A，總電流達 1.38A，觸發了過流，無法正常啟動。

圖 9. SiLM94112 電容負載啟動波形，

負載電容 4.7uF

CH1: VOUT4; CH3: IOUT4

圖 10. SiLM94112 電容負載啟動波形，

負載電容 10uF

CH1: VOUT4; CH3: IOUT4

3

PWM方式啟動，在相同占空比不同頻率下電容負載啟動波形

當 VS=16V，RLOAD=100?, CLOAD=3.3uF, 上升斜率 SR =0.5V/us（010），電容充電電流理論值為 1.65A，達到了過流值，Duty=4%, 在不同 PWM 頻率下，啟動電流波形如圖 11 和圖 12 所示。可以看到，PWM 為 2kHz 的時候，過流時間為0.04*0.5ms=20us，與芯片內部濾波比較略小，可以正常啟動。當頻率降低至 80Hz 時，電容充電電流不變，但過流時間為0.04*12.5ms=500us，比芯片內部濾波比較大，觸發了過流，無法正常啟動。

圖 11. SiLM94112 電容負載啟動波形，

PWM=2kHz

CH1: VOUT4; CH2: IOUT4

圖 12. SiLM94112 電容負載啟動波形，

PWM=80Hz

CH1: VOUT4; CH3: IOUT4

4

不同上升斜率下電容負載直接輸出啟動波形

當 VS=16V，RLOAD=100?, CLOAD=3.3uF, 上升斜率 SR =0.5V/us（010），電容充電電流理論值為 1.65A，達到了過流值，但是可以采用 PWM 啟動的方式，通過合理的配置使其成功啟動。

圖 13 和圖 14 展示了 PWM=2kHz 時在不同占空比下啟動的波形。在占空比為 4% 的時候，過流時間為 0.04*0.5ms=20us，比芯片內部濾波時間小，可以正常啟動。當占空比增大至 10% 時，過流時間為0.1*0.5ms=50us，比芯片內部濾波時間大，觸發了過流，無法正常啟動。

圖 13. SiLM94112 電容負載啟動波形，

Duty=4%

CH1: VOUT4; CH2: IOUT4

圖 14. SiLM94112 電容負載啟動波形，

Duty=10%

CH1: VOUT4; CH3: IOUT4

以上試驗說明，同等電容負載條件下，降低輸出擺率有利于負載的啟動。采用 PWM 啟動時，同等頻率降低占空比或者相同占空比下提高頻率，可以增強大電容負載下的啟動能力。在啟動過程設置不同 duty 的 PWM，逐步抬高輸出電壓平均平臺，使得輸出電壓每個平臺跳變電壓變小，減少沖擊電流，最終達到高電平。

總結

綜上所述，SiLM94112 的過流保護功能，在正常的運行過程中如果發生負載短路或過流，可保證系統安全運行。對于大電容負載啟動，為避免誤觸發過流保護，可設置寄存器降低輸出擺率，增大電容負載啟動能力。采用 PWM 啟動方式，控制 PWM 導通時間不超過過流保護時間；還可以通過控制 PWM 輸出不同的電壓平臺，分多次逼近最終輸出電壓幅值，減小電流沖擊，達到順利啟動的目的。

審核編輯：劉清