汽車(chē): 如何評(píng)估驅(qū)動(dòng)芯片的模擬采樣精度

作者：Scarlett Cao

關(guān)鍵物料：UCC21750-Q1, UCC5880-Q1

TI 針對(duì)新能源電驅(qū)應(yīng)用場(chǎng)景的明星產(chǎn)品有不帶 SPI接口的智能驅(qū)動(dòng)UCC21750-Q1系列和帶SPI接口的 ASILD功能安全驅(qū)動(dòng)UCC5880-Q1系列。UCC21750-Q1具有DESAT保護(hù)、內(nèi)置米勒鉗位、隔離采樣通道、針對(duì)短路過(guò)流故障的/FLT pin及針對(duì)供電電源的RDY pin輸出。UCC5880-Q1為TI的第二代功能安全柵極驅(qū)動(dòng)芯片，具有可調(diào)驅(qū)動(dòng)電流，豐富的診斷保護(hù)功能和優(yōu)異的魯棒性。UCC21750-Q1有一個(gè)隔離采樣通道，UCC5880-Q1具有兩個(gè)隔離采樣通道，可以用于采樣模組溫度，DC link電壓等應(yīng)用場(chǎng)景。本文主要介紹隔離驅(qū)動(dòng)芯片的采樣的應(yīng)用方法和精度分析。

1. 隔離采樣通道介紹

驅(qū)動(dòng)的隔離采樣通道通常為模擬信號(hào)輸入，通過(guò)占空比信號(hào)或SPI輸出。對(duì)于non SPI的驅(qū)動(dòng)芯片如UCC21750-Q1系列來(lái)說(shuō)，從AIN pin輸入0-4.5V的模擬信號(hào)，通過(guò)APWM 輸出頻率為400kHz的PMW 信號(hào)，其占空比反應(yīng)輸入的模擬值大小，可以直接接到MCU的I/O口進(jìn)行讀數(shù)，也可以通過(guò)外接RC轉(zhuǎn)換成模擬值讀取，如下圖1所示。 對(duì)于UCC5880-Q1來(lái)說(shuō)，在內(nèi)置ADC采樣后，除了通過(guò)DOUT pin占空比輸出外，用戶還可選擇通過(guò)SPI對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行讀數(shù)，如下圖2所示。

圖1 UCC21750-Q1內(nèi)置隔離采樣通道示意圖

圖2 UCC5880-Q1內(nèi)置隔離采樣通道示意圖

2. 采樣偏置方式介紹

模擬采樣通道的偏置方式通常有電壓型和電流型兩種。使用電流型偏置的應(yīng)用場(chǎng)景主要為外置熱敏二極管類(lèi)的場(chǎng)合，參考圖3所示。芯片內(nèi)部產(chǎn)生恒定的電流源流過(guò)功率模組的熱敏二極管產(chǎn)生壓降，根據(jù)熱敏二極管的V-T特性曲線（如圖4）反推當(dāng)前的溫度。

圖3 電流型偏置示意圖

圖4 熱敏電阻溫度特性曲線

電壓型偏置的應(yīng)用場(chǎng)景為母線電壓采樣或基于NTC或PTC 的溫度采樣。以母線電壓采樣為例，可以通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)分壓將電壓采樣的范圍轉(zhuǎn)換到ADC輸入范圍。對(duì)UCC21750-Q1來(lái)說(shuō)，內(nèi)部的偏置電流源不能關(guān)掉，所以分析結(jié)果時(shí)需要減去電流源在上產(chǎn)生的壓降影響。而對(duì)UCC5880-Q1來(lái)說(shuō), 在使用電壓偏置時(shí)，可以通過(guò)寄存器配置關(guān)掉內(nèi)置的偏置電流源。

圖5 電壓型偏置示意圖

3. 隔離采樣精度分析

如下圖6所示，隔離采樣中的誤差主要有以下三個(gè)主要來(lái)源：

• 信號(hào)源誤差

• AD轉(zhuǎn)換誤差

• MCU量化誤差

圖6 隔離采樣精度分析

第一部分信號(hào)源誤差主要指的是對(duì)被采樣信號(hào)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，使用電流偏置型電路的需要考慮電流源大小的誤差，使用電壓型偏置電路的需要考慮分壓電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的誤差。如果使用了驅(qū)動(dòng)芯片的VREF輸出進(jìn)行偏置，也同樣需要考慮偏置源VREF本身產(chǎn)生的誤差。

第二部分AD轉(zhuǎn)換誤差指驅(qū)動(dòng)芯片收到二次側(cè)的模擬信號(hào)輸入，轉(zhuǎn)換成占空比輸出產(chǎn)生的誤差。對(duì)UCC21750-Q1來(lái)說(shuō)，這一誤差可以通過(guò)Datasheet的對(duì)應(yīng)電壓范圍的精度這個(gè)指標(biāo)得到。對(duì)UCC5880-Q1來(lái)說(shuō)，在不同的輸入電壓范圍ADC精度的LSB不同，以電壓下 ADC精度worst case為例，采樣精度為，其中N為UCC5880-Q1 ADC的位數(shù)。

第三部分MCU 對(duì)APWM/DOUT采樣的量化誤差, 這與MCU的采樣頻率和APWM/DOUT的輸出頻率相關(guān)。UCC21750-Q1的APWM頻率為固定的400kHz，而UCC5880-Q1 DOUT輸出頻率為兩檔可配。這一部分產(chǎn)生的量化誤差為 ，其中為MCU采樣頻率，為驅(qū)動(dòng)芯片PWM輸出頻率。 這里需要注意的是MCU 采樣的是占空比還是導(dǎo)通時(shí)間。如果MCU采樣的是導(dǎo)通時(shí)間，則還需要考慮PWM輸出頻率抖動(dòng)造成的影響。

當(dāng)然，如果將驅(qū)動(dòng)芯片PWM輸出通過(guò)RC濾波形成模擬量采樣，則不需要考慮量化誤差的影響，只需要考慮MCU端采樣的精度。如果使用UCC5880-Q1并通過(guò)SPI對(duì)AD采樣結(jié)果進(jìn)行讀數(shù)，也不需要考慮第三部分的影響。