高效控制：類比半導(dǎo)體DR7808在新能源汽車中的應(yīng)用

摘要：上海類比半導(dǎo)體技術(shù)有限公司（以下簡稱“類比半導(dǎo)體”或“類比”）作為國內(nèi)領(lǐng)先的模擬及數(shù)模混合芯片設(shè)計商，成功設(shè)計并生產(chǎn)了DR7808預(yù)驅(qū)芯片，不僅在技術(shù)層面實現(xiàn)了重大突破，更在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的性能和可靠性。DR7808預(yù)驅(qū)芯片以其優(yōu)化的集成度和增強的功能性，能夠輕松應(yīng)對當(dāng)前汽車電子系統(tǒng)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，同時高效滿足客戶在多樣化應(yīng)用場景下的具體需求。

一、    八半橋電機驅(qū)動DR7808：應(yīng)對電機驅(qū)動的前沿挑戰(zhàn)

在新能源汽車領(lǐng)域，隨著車輛電氣化程度的加深，電機預(yù)驅(qū)技術(shù)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電機控制方法，如分立元件與繼電器的組合，逐漸顯露出局限性，無法滿足行業(yè)對高性能、成本效率、尺寸緊湊性、安全性和多功能性的新需求。在此背景下，類比半導(dǎo)體推出了DR7808八半橋電機驅(qū)動芯片，旨在解決行業(yè)痛點，推動技術(shù)進步。

與國際競品相比，DR7808不僅全面覆蓋了基礎(chǔ)功能，更在支持4路PWM信號輸入、過流保護閾值的精細化調(diào)節(jié)、高低邊驅(qū)動模式的智能切換、上下管握手邏輯的強化以及離線診斷與在線電流檢測等多個方面進行了深度優(yōu)化和增強。這些創(chuàng)新設(shè)計，不僅滿足了客戶對靈活設(shè)計應(yīng)用的追求，同時也確保了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。

表1 DR7808與國際主流競品參數(shù)對照表

表2 DR7808的產(chǎn)品參數(shù)與硬件框架

二、DR7808性能特點與技術(shù)創(chuàng)新

2.1 PWM4功能與應(yīng)用：四路PWM驅(qū)動，覆蓋更多應(yīng)用場景

對于座椅記憶功能及其他需要協(xié)調(diào)四個電機同步工作的應(yīng)用，DR7808的EN_PWM4引腳展現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢。通過巧妙地設(shè)置CSA_OC_SH寄存器中的HB6_PWM4_EN位，EN_PWM4可以轉(zhuǎn)換成為第四個PWM輸入，專門用于驅(qū)動HB6橋臂。這一設(shè)計突破了行業(yè)界限，顯著區(qū)別于最大僅支持三個PWM通道的競品，為多電機同步控制開辟了新的可能性。

如下示意圖，我們簡單概述了PWM正向控制與反向控制的配置流程及信號流向。通過將EN_PWM4引腳映射至HB6，HB6內(nèi)的HS和LS可根據(jù)HB6_MODE寄存器的設(shè)定轉(zhuǎn)換為有源MOSFET，進而實現(xiàn)PWM驅(qū)動下的正向與反向操作。當(dāng)HB6由EN_PWM4信號驅(qū)動時，外部MOSFET的充電與放電過程受到精細化管理，而這一過程的靜態(tài)電流則由ST_ICHG寄存器中的HB6ICHGST位精準(zhǔn)調(diào)控。

值得注意的是，EN_PWM4引腳在默認狀態(tài)下?lián)涡酒鼓艿慕巧?。一旦HB6_PWM4_EN位被激活，即使EN_PWM4引腳被拉低，芯片也不會隨即進入禁用狀態(tài)。正常應(yīng)用下，可通過SPI配置重新HB6_PWM4_EN為低來復(fù)位EN_PWM4引腳為芯片使能。同時VDD電源下電或是看門狗超時，HB6_PWM4_EN將被復(fù)位，EN_PWM4引腳將重新承擔(dān)起使能職責(zé)。隨后，當(dāng)EN_PWM4引腳再次被斷言為低電平時，芯片將執(zhí)行重置操作。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，一個推薦的軟件實踐是在喂狗前連續(xù)讀取0x00寄存器三次，若讀取數(shù)據(jù)三次完全一致，則視為喂狗成功；相反，若未能滿足這一條件，則需將EN_PWM4引腳設(shè)置為高電平狀態(tài)，以防后續(xù)看門狗超時引發(fā)的意外重置。

圖1 正向PWM操作示例

圖2  反向PWM操作示例

2.2 柵極驅(qū)動與過流保護：精細調(diào)節(jié)與成本優(yōu)化

DR7808芯片在柵極驅(qū)動電流調(diào)節(jié)與過流保護方面展現(xiàn)出卓越的性能。其過流保護門限覆蓋了從0.075V至2V的寬泛范圍，提供16檔精細調(diào)節(jié)，這一設(shè)計顯著優(yōu)于競品0.15V至2V的8檔位調(diào)節(jié)范圍，使DR7808得以在小電流應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出色的適應(yīng)性和安全性。

不僅如此，DR7808每個柵極驅(qū)動器能夠通過32個檔位精確控制1.0mA至約100mA的電流變化，這一特性直接挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)做法中通過在門級驅(qū)動回路中串接不同阻值電阻來改變邊沿斜率，以減小MOS開啟瞬間電流尖峰的做法。DR7808的這一創(chuàng)新設(shè)計無需額外電阻，減少了外圍組件數(shù)量，從而降低了成本，簡化了設(shè)計流程，同時也使得調(diào)試工作變得更加便捷。

DR7808芯片在柵極驅(qū)動器設(shè)計上實現(xiàn)了對有源MOSFET和續(xù)流MOSFET的充電與放電電流的精密控制，具體配置步驟如下：

1.初始化配置：首先，通過設(shè)置GENCTRL1寄存器中的REG_BANK位，確定即將訪問的控制寄存器組。

2.有源MOSFET電流控制：

o   充電電流：利用PWM_ICHG_ACT寄存器（當(dāng)REG_BANK=0時），精確設(shè)定有源MOSFET的充電電流。

o   放電電流：通過PWM_IDCHG_ACT寄存器（同樣在REG_BANK=0時），配置有源MOSFET的放電電流。

3.續(xù)流MOSFET電流控制：借助PWM_ICHG_FW寄存器（在REG_BANK=1時），同時配置續(xù)流MOSFET的充電和放電電流，確保其在PWM操作下的性能最優(yōu)。

圖3  PWM操作時可配置的放電電流

圖4  PWM操作時可配置的充電電流

2.3 高級檢測與保護機制：確保H橋驅(qū)動的穩(wěn)定與安全

2.3.1 上下管死區(qū)控制與保護優(yōu)化

在H橋功率驅(qū)動應(yīng)用中，上下管的死區(qū)控制是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方法依賴于MCU算法計算死區(qū)時間，采用軟件方式進行控制，然而在極端條件下，這種做法的可靠性備受質(zhì)疑。例如，死區(qū)時間設(shè)置不當(dāng)、Cgd對柵極電壓的耦合效應(yīng)、極限占空比等因素都可能導(dǎo)致上下管同時導(dǎo)通，引發(fā)系統(tǒng)故障。

針對這一挑戰(zhàn)，類比半導(dǎo)體在DR7808芯片中引入了一系列創(chuàng)新技術(shù)，包括動態(tài)死區(qū)監(jiān)控、柵極Hardoff抗耦合、PWM占空比補償和極限占空比補償，以解決傳統(tǒng)方法的不足。用戶只需簡單設(shè)置相關(guān)參數(shù)，芯片內(nèi)置的握手檢測機制便會通過電壓邏輯判斷，當(dāng)上橋MOS開啟時，自動對下橋MOS實施內(nèi)部Hardoff電流強下拉，確保在任意死區(qū)配置下，上下橋MOS絕不會同時開啟，從而實現(xiàn)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定與可靠。

2.3.2 豐富診斷保護機制示例

DR7808芯片配備了全面的診斷與保護機制，以應(yīng)對各類潛在故障。以下以供電電壓VM異常為例，展示芯片的響應(yīng)流程：

1.當(dāng)供電電壓VM從正常值12V驟降至4.5V時，芯片立即觸發(fā)欠壓保護機制。

2.在數(shù)據(jù)格式中，0x08的Global status Byte(GEF)值表明SUPE位被置1，芯片檢測到Power error，并自動上傳故障標(biāo)志。

3.同時，General Status Register將提供更詳盡的故障信息，確保故障狀態(tài)的及時上報與處理。

圖5 VM過壓欠壓下的輸出行為

圖6 VM欠壓時的GEF數(shù)據(jù)捕獲及上傳

2.4 Off-brake保護機制：守護電機與系統(tǒng)安全

在特定工作場景下，如工廠裝配線上的尾門自動調(diào)整或座椅折疊過程，若電池未能及時為控制板供電，電機在運動中產(chǎn)生的反向電動勢（Back EMF）可能逆向流入電源端，對周邊電路元件構(gòu)成威脅，尤其是對敏感的TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）和MOSFET造成潛在傷害。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，DR7808芯片集成了off-brake保護功能，有效地化解了這一風(fēng)險。

當(dāng)DR7808芯片處于passive模式時，其內(nèi)置傳感器持續(xù)監(jiān)測供電電壓VS。一旦檢測到VS電壓超過安全閾值32.5V，芯片即刻響應(yīng)，自動啟動LS4至LS1的MOSFET，迫使電機迅速進入剎車狀態(tài)。這一動作迅速削減了反向電動勢，避免了電機的非計劃旋轉(zhuǎn)，同時保護了系統(tǒng)免受高電壓沖擊。

隨后，系統(tǒng)將自動監(jiān)控VS電壓的下降趨勢，直至其穩(wěn)定降至30V以下。此時，off-brake機制自動解除，LS4至LS1的MOSFET隨之關(guān)閉，恢復(fù)正常操作狀態(tài)。這一連貫的off-brake保護過程確保了VS電壓始終保持在安全范圍內(nèi)，有效防止了TVS和MOSFET因過壓而損壞，維護了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

圖7 off-brake保護機制波形

2.5 離線診斷機制：精密檢測與故障排查

DR7808芯片通過離線狀態(tài)診斷功能，能夠精準(zhǔn)實現(xiàn)輸出端對電源短路、對地短路以及負載開路的檢測，這一機制在設(shè)計上獨具匠心，為每個MOSFET的柵極驅(qū)動器提供了上拉電流（典型值為500μA），并在驅(qū)動器激活狀態(tài)（BD_PASS=0）時，于SHx引腳處提供下拉電流（典型值為1000μA），確保了診斷過程的穩(wěn)定與精確。

2.5.1 診斷步驟與原理

●   MOSFET對地短路檢測：設(shè)置BD_PASS=0，HBx_MODE為00b或11b，并激活HBxIDIAG=0，同時開啟內(nèi)部上拉電流，將SHx電壓拉至接近VDRAIN。待一定時間后，通過讀取HBxVOUT寄存器，若其值為0b，則表明MOSFET存在對地短路現(xiàn)象。

●   MOSFET對電池短路檢測：同樣將BD_PASS設(shè)為0，HBx_MODE配置為00b或11b，但此時HBxIDIAG應(yīng)設(shè)為1，以啟用內(nèi)部下拉電流，將SHx電壓拉至接近SL。隨后，讀取HBxVOUT寄存器，若讀得值為1b，則說明MOSFET與電池相連，存在短路狀況。

●   空載檢測：此步驟涉及HBx與HBy之間的電機連接檢測。首先，將BD_PASS設(shè)為0，HBx_MODE與HBy_MODE均配置為00b或11b，HBxIDIAG設(shè)為0以激活HBx通道的上拉電流，同時HBy通道的HBxIDIAG設(shè)為1以啟用下拉電流。等待一段時間后，讀取HBxVOUT和HByVOUT寄存器。若電機正常連接，SHx與Shy均會被下拉至SL，此時HBxVOUT與HByVOUT讀數(shù)均為0b；若電機斷開，SHx將被上拉至VDRAIN，而Shy則下拉至SL，HBxVOUT讀數(shù)為1b，HByVOUT讀數(shù)為0b。

值得注意的是，上述離線檢測功能的有效發(fā)揮，需滿足橋驅(qū)動程序處于活動狀態(tài)（即BD_PASS=0），并且相應(yīng)半橋處于斷開模式（HBxMODE=00b或11b）的前提條件。每個柵極的下拉電流驅(qū)動器由HBIDIAG寄存器中的控制位HBxIDIAG激活，這一精細控制確保了診斷過程的準(zhǔn)確執(zhí)行。在微控制器執(zhí)行離線狀態(tài)診斷時，為確保檢測的準(zhǔn)確性，相關(guān)半橋的VDSOV閾值橋接器需通過軟件配置，設(shè)置為2V的標(biāo)稱值。這一配置步驟是實現(xiàn)離線診斷功能的關(guān)鍵，確保了檢測過程中的信號穩(wěn)定與結(jié)果的可靠性。

通過以上精心設(shè)計的配置步驟，微控制器能夠準(zhǔn)確獲取HBxVOUT的狀態(tài)，從而高效、可靠地完成離線診斷任務(wù)，為設(shè)計者提供了強大而實用的故障排查工具，增強了DR7808芯片在復(fù)雜應(yīng)用場景下的適應(yīng)能力和系統(tǒng)維護的便利性。

2.6 精準(zhǔn)電流檢測：實時監(jiān)測與優(yōu)化

DR7808芯片內(nèi)部集成了兩個高精度CSA電流檢測運放，其在offset精度上展現(xiàn)出色表現(xiàn)，誤差僅約1mV，這一特性顯著優(yōu)于國際大廠競品。芯片設(shè)計的靈活性體現(xiàn)在其支持多種電流檢測方式，既可在電源端串聯(lián)檢流電阻，亦可在接地端使用分流電阻，甚至在電機內(nèi)部串聯(lián)分流電阻進行檢測，其中電機端檢測的獨特優(yōu)勢在于能夠?qū)崟r監(jiān)測雙向電流，確保了電機運行狀態(tài)的全面掌握。

為避免PWM信號引起電流檢測運放輸入端的高共模電壓擺動，建議將PWM信號應(yīng)用于未連接分流電阻的半橋端。這一布局方式可有效減少信號干擾，確保電流檢測的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。如圖8所示，展示了PWM與分流電阻在電機中的典型應(yīng)用布局，直觀地呈現(xiàn)了這一優(yōu)化連接策略。

圖8 PWM和分流電阻應(yīng)用在電機示意圖

在某些應(yīng)用場景下，PWM信號不可避免地需要應(yīng)用于分流電阻所在的半橋。此時，為消除高共模電壓跳變導(dǎo)致的CSA輸出電壓毛刺，應(yīng)通過設(shè)置CSAx_SH_EN寄存器（x=1,2）啟用CSA PWM抑制功能。同時，CSAx_SEL寄存器的配置需指向需采樣的半橋，確保在PWM切換期間，CSA輸出保持采樣狀態(tài)，有效避免電壓毛刺的產(chǎn)生。采樣與保持時間由tcp與tblank決定，這一機制進一步提升了電流檢測的精度與可靠性。

三、DR7808：拓展應(yīng)用的無限可能

DR7808芯片憑借其8個獨立可控的半橋設(shè)計，展現(xiàn)出了卓越的靈活性與拓展性。每個半橋的上下管均可獨立控制，意味著單顆芯片即可支持高達4個H橋配置，或靈活配置為8路高邊驅(qū)動或低邊驅(qū)動。這一設(shè)計突破了傳統(tǒng)方案的局限，為設(shè)計人員提供了前所未有的自由度，尤其是在功能域場景中，能夠滿足大量高邊或低邊驅(qū)動的需求。

傳統(tǒng)應(yīng)用中，大量高邊驅(qū)動通常依賴于分立器件，如達林頓管和繼電器的組合。然而，這些方案存在明顯的缺點，包括器件面積大、機械開關(guān)壽命短、噪聲問題以及高壓觸點粘連風(fēng)險，加之需要額外電路實現(xiàn)保護功能，增加了設(shè)計的復(fù)雜性和成本。相比之下，DR7808的高度集成化設(shè)計展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，不僅提供了單芯片8路高邊或低邊驅(qū)動的能力，還內(nèi)建了豐富的保護機制，涵蓋過流、過壓、欠壓和過溫等多重防護，配合SPI通信故障診斷上傳機制，為系統(tǒng)級功能安全奠定了堅實的基礎(chǔ)。

在高低邊應(yīng)用中，DR7808的設(shè)計團隊特別針對不同場景進行了優(yōu)化，當(dāng)用于高邊應(yīng)用時，可以省略低邊MOS的使用，反之亦然。這一設(shè)計上的考量不僅簡化了電路布局，還大幅降低了物料成本，提升了系統(tǒng)的整體性價比。在擁有大量高低邊設(shè)計需求的場景下，DR7808相比國際競品展現(xiàn)出更加明顯的優(yōu)勢，無論是成本控制還是性能表現(xiàn)，均能脫穎而出。

圖9 DR7808設(shè)計及應(yīng)用場景

四、總結(jié)

類比半導(dǎo)體的電驅(qū)產(chǎn)品系列，以其與市面上通用產(chǎn)品BOM的無縫兼容性，不僅簡化了軟件設(shè)計流程，還確保了硬件設(shè)計的簡潔高效，為行業(yè)樹立了全新的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在性能層面，我們超越了市場上的競爭對手，不僅在關(guān)鍵指標(biāo)上領(lǐng)跑，更深入挖掘客戶需求，引入了一系列創(chuàng)新功能，直擊行業(yè)痛點，重塑電機驅(qū)動領(lǐng)域的技術(shù)格局。

作為類比半導(dǎo)體電驅(qū)產(chǎn)品線的杰出代表，DR7808八半橋預(yù)驅(qū)芯片憑借其卓越的電流精度、強化的握手邏輯、出色的穩(wěn)定性和可靠性，完美貼合了市場對多電機控制日益增長的需求。在汽車工業(yè)邁向智能化與中央集成化的大趨勢下，DR7808以其獨特的優(yōu)勢，不僅為客戶提供了一站式解決方案，包括GUI軟件和C語言底層驅(qū)動在內(nèi)的完整技術(shù)服務(wù)，更助力客戶產(chǎn)品在全球競爭中脫穎而出，為智能出行時代注入強勁動力。

我們誠摯邀請行業(yè)伙伴共同探索電驅(qū)技術(shù)的無限可能，類比半導(dǎo)體承諾以專業(yè)、創(chuàng)新的態(tài)度，與您一同迎接挑戰(zhàn)，把握機遇，共創(chuàng)智能出行的美好未來。熱烈歡迎來電洽談合作，讓我們攜手書寫電驅(qū)領(lǐng)域的嶄新篇章，引領(lǐng)行業(yè)邁向更高成就。