MP653x 系列三相預驅動器具備多種保護功能，可防止故障出現時損壞電路和電機。但這些功能需要經過正確的設置，保護電路才能正常運行。本應用說明將詳細描述 MP653x 系列產品的保護功能及其正確的配置方法。

適用器件

本應用說明適用于以下器件：

器件編號	說明	供電電壓
MP6528	H 橋柵極驅動器	60V
MP6528 MPQ6528	H 橋柵極驅動器 (符合AEC-Q100認證)	60V
MP6530 MP6530	具有 PWM 和 ENBL 輸入的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器	60V
MPQ6530 MPQ6530	具有 PWM 和 ENBL 輸入的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器 (符合AEC-Q100認證)	60V
MP6531A	具有獨立 HS/LS 控制功能的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器	60V
MPQ6531 MPQ6531	具有獨立 HS/LS 控制功能的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器 (符合AEC-Q100認證)	60V
MP6532	具有霍爾輸入的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器	60V
MPQ6532	具有霍爾輸入的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器 (符合AEC-Q100認證)	60V
MP6534	具有降壓變換器的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器	60V
MP6535	具有霍爾輸入和降壓變換器的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器	60V
MP6537	具有 PWM 和 ENBL 輸入的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器	100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V
MP6538	具有霍爾輸入的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器	100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V
MP6539	具有獨立 HS/LS 控制功能的 3 相直流無刷 ( BLDC ) 電機預驅動器	100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V

簡介

MP653x 系列柵極驅動器主要針對電機驅動應用。這些器件集成了電源和控制功能，用以驅動電機，還集成了多種保護電路，用于防止器件在過流、短路和元件失效等異常情況下發生故障。

大部分保護電路都需要通過外部元件進行配置。如果外部電路配置不正確，保護電路可能會在非真正故障的情況下被激活。了解保護機制以及如何設置保護電路的外部元件對于正確驅動電機是十分必要的。本文討論的大部分保護功能適用于所有 MP653x 系列器件；部分功能在60V 驅動器和 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V 驅動器之間略有差別；在某些情況下，同一個器件的功能在不同的器件中會有所不同。本文的描述適用于該系列中的所有器件，除非注明差異。

如需了解如何利用 MP653x 預驅動器進行設計，請參考另一篇應用說明，AN111 AN111。

保護功能

MP653x 系列預驅動器中集成的各種保護功能摘要如下：

過溫保護 (OTP)

適用器件：所有

當溫度超過數據手冊中列出的過溫閾值時，集成在器件中的溫度傳感器會導致器件停止工作。一旦發生這種情況，所有輸出都將被置為低電平，電機將被禁用。

部分器件在 OTP 激活之后閉鎖，其他則自動重啟。詳情請參閱表 1。(1)

電源電壓欠壓鎖定保護 (VIN UVLO)

適用器件：所有

主電源電壓輸入 (VIN) 上的電壓由一個比較器電路監測。當電源電壓低于數據手冊中列出的 VIN 欠壓閾值時，器件被禁用且所有輸出都被拉至低電平，電機將被禁用。VIN UVLO 完成 IC 邏輯中的全局復位功能。當電壓上升至閾值之上，器件再次啟用。注意，在電壓升至閾值以上之后，距離器件驅動輸出還需要一點時間，通常約為 1 毫秒。

柵極驅動電壓欠壓鎖定保護 (VREG 紫紫紫)

適用器件：所有

柵極驅動電源 (VREG) 的電壓輸出由一個比較器電路監測。當該電壓低于數據手冊中列出的 VREG 欠壓閾值時，器件被禁用且所有輸出都被拉至低電平，電機被禁用。

部分器件在 VREG 紫紫紫 激活之后閉鎖，其他則在 VREG 上升后自動重啟。詳情請參閱表 1。

上管柵極驅動電壓故障保護 (VBST UVLO)

適用器件：MP6537、MP6538、MP6539

這些器件均提供一個電路監測其 BSTx 引腳上的電壓，即上管 MOSFET 的柵極驅動電壓。每一次輸出 (SHx) 被拉低，連接到 BSTx 引腳上的電容就會為 VREG 充電；與此同時，內部電荷泵也提供微弱電流為其充電。因此，輸出能夠在較長時間內都保持高電平。

一旦 VBST UVLO 被激活，上管柵極即被關斷，直到下一次受控導通。VBST UVLO 不會導致 nFAULT 激活。

短路保護（SCP 或 VDS 檢測）

適用器件：所有

被導通 MOSFET 兩端的壓降通過一個專用電路進行監測。如果 MOSFET 沒有完全導通，其兩端將產生一個低壓降，此時SCP 保護將被激活。

通常情況下，SCP 故障閾值由施加到 OCREF 引腳上的電壓設置。但100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V 器件不使用 OCREF 電壓來檢測上管MOSFET；它們在輸出被拉高時（不高于約4.5V的固定閾值）將發出VDS故障信號。

部分器件在 SCP 激活之后閉鎖，其他則自動重啟。詳情請參閱表 1。

過流保護（OCP或電機電流檢測）

適用器件：所有

總電機電流可以通過一個共享的單個下管分流電阻進行測量。該分流電阻連接到 LSS 引腳。當分流器上的壓降超過設定閾值時，將被判定識別為需要激活 OCP 事件。

60V 器件的 LSS 引腳設定 500mV 的固定閾值。100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V 器件的 CSO 引腳則設定 3.5V 的固定閾值；CSO 引腳由 LSS 引腳增益為 20 的放大器驅動，因此 LSS 的等效電壓為 175mV。

部分器件在 OCP 激活之后閉鎖，其他則自動重啟。詳情請參閱表 1。

功能	MP6528、MP6530 MP6530、MP6534、MP6535	MP6532	MPQ6532	MP6528,MP6530 MP6530	MP6531A,MPQ6531 MPQ6531	MP6537、MP6538、MP6539
OTP	閉鎖 (1)	閉鎖 (1)	冷卻后重試	冷卻后重試	冷卻后重試	冷卻后重試
SCP	閉鎖 (1)	閉鎖 (1)	閉鎖 (1)	閉鎖 (1)	閉鎖 (1)	上管: 閉鎖(1) 下管: 一定可調時間之后重試
OCP	閉鎖 (1)	固定時間后重試	固定時間后重試	閉鎖 (1)	閉鎖 (1)	一定可調時間之后重試
VREG 紫紫紫	閉鎖 (1)	閉鎖 (1)	閉鎖 (1)	大于 UVLO 閾值后重試	重試并啟動 BST 充電	重試并啟動 BST 充電

表1: 保護動作

(1) 閉鎖可通過移除/重新應用 VIN 或激活/取消激活 nSLEEP 來復位。

MOSFET 開關特性

為避免無意之中觸發保護電路，需要了解由 MP653x 預驅動器驅動的 MOSFET 開關特性。特別是在某些條件下，VDS 檢測很容易被誤觸發。

MOSFET 柵極電容

當上管 MOSFET 導通時，柵極主要由存儲在自舉電容中的電荷驅動。如果柵極電容非常高，而自舉電容中存儲的電荷又不足，則上管 MOSFET 有可能無法完全導通；這會導致上管 VDS 故障。在 BST 引腳上連接較大電容通常可以改善這種情況。

另一方面，在高 PWM 頻率下，驅動柵極所需的電流量也會增加。在某些情況下，這可能導致 VREG 紫紫紫 故障。當采用大 MOSFET 和高 PWM 頻率時，建議在 VREG 引腳上使用較大電容以幫助避免這些故障。

柵極驅動電阻

MP653x 柵極驅動輸出和 MOSFET 柵極之間通常會插入電阻。這些電阻會限制 MOSFET 開關的速度。

死區時間

為防止上下管 MOSFET 同時導通，從而導致 VIN 電源直接接地（超大電流穿過 MOSFET），必須在一個 MPOSFET 關斷和另一個 MPOSFET 導通之間插入一個短時長，即死區時間。無論輸入信號時序如何，MP653x 系列驅動器都會在開關期間生成死區時間。死區時間可通過連接到 DT 引腳上的外部電阻值進行設置。

消隱（或抗尖峰脈沖）時間

MOSFET 的開關需要一定的時間；因此，MOSFET 需要在導通后等待一段時間，然后再檢查是否存在需要 OCP 保護的問題，這段時間即稱為消隱時間。從死區時間結束到 VDS 檢測電路檢測 MOSFET 兩端電壓的時間點，即為消隱時間。

對60V器件而言，SCP檢測的消隱時間為3μS；對100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V 器件而言，則為 2.73μS。MOSFET 必須在消隱時間結束之前完全導通，否則將觸發 SCP 保護！

配置外部元件

外部元件的配置可能對 MP653x 預驅動器的保護功能產生影響，下面將給出部分配置建議。

MOSFET 柵極電阻

通常情況下，MP653x 和 MOSFET 柵極之間的電阻（或電阻/二極管網絡）由輸出端所需的上升/下降時間決定。上升/下降時間快，可以最大限度地減少開關損耗；反之則可以優化 EMI。

但無論快慢，上升/下降時間都必須小于上述消隱時間。如果消隱時間結束時 MOSFET 還未完全導通，則 SCP 將被觸發。

功率 MOSFET 的柵極可以看作是柵極和源極端子之間的非線性電容。雖然柵極不傳導直流電流，但仍需要電流對柵極電容進行充電和放電，以導通和關斷 MOSFET。提供給柵極的電流量決定了完全導通 MOSFET 所需的時間。同樣，當電流從柵極拉出時，該電流量也決定了 MOSFET 的關斷時間。

要了解驅動柵極所需的條件，要先知道 MOSFET 必須以多快的速度開關。設計人員需要在低開關損耗（需要快速上升和下降時間）和低 EMI（需要緩慢上升和下降時間）之間進行權衡。此外，PWM 頻率以及所需的最小/最大占空比也對開關速度有所限制。例如，對于 20kHz 的 PWM 頻率，1% 的占空比需要生成 500ns 的脈沖，這需要幾百納秒或更短的上升/下降時間。

確定所需的上升/下降時間之后，就可以用公式 QG / t 來估算所需的柵極驅動電流。公式中的 QG 為總柵極電荷，t 為所需的上升/下降時間。

注意，這里計算的是整個上升/下降時間內需要的驅動電流總量。實際上，柵極驅動電流通常在這段時間內會有所變化，因為大多數柵極驅動器都非恒流驅動器。

如果向柵極提供恒定電流，則柵極電壓不具備線性斜率，而是在 MOSFET 開關期間趨于平穩 （見圖 1）。這就是由柵漏電容引起的“米勒平臺”。當漏極轉換時，該電容需要電流充電，因此柵源電容的充電速度將減慢。

為柵極充電提供的電流越小，完成轉換所需的時間就越長。

圖 1：1A 恒流柵極驅動（100nC - 紅色 = 柵極，紫色 = 漏極，200ns/div。）

圖 2：具有 12Ω 串聯電阻的 12V 柵極驅動（100nC - 紅色 = 柵極，紫色 = 漏極，200ns/div。）

采用具有 12Ω 串聯電阻的 12V 恒壓柵極驅動時，其波形如 圖 2 所示。從圖中可以看到，平臺仍然存在，但柵極達到 12V 需要的時間更長，漏極的切換時間則幾乎相同。如 圖 3 所示，添加一個二極管可以獲得獨立的上升和下降時間。

圖 3：添加二極管示意圖

圖 4：柵極和輸出波形

這樣做的目的是為了確保半橋配置中的一個 FET 在相反 FET 導通之前能完全關斷，從而保證死區時間。如 圖 4 所示，下管柵極 (GLA) 在通過二極管放電時速度非常快，但上管柵極 (GHA) 則由于電阻的存在而充電緩慢。其結果是，在上管 MOSFET 導通控制之下，輸出 (SHA) 具有緩慢的上升時間。

由于柵極具有非線性電容，并且驅動器通常也不是真正的電壓或電流源（通常只是工作在線性區域的 FET ），因此很難精確計算出實現特定上升或下降時間所需的電阻。最好的方法還是通過實驗或模擬得出正確的值。計算時，首先假設柵極驅動電流等于柵極驅動電壓（通常為 12V ）除以串聯電阻，同時確保計算中包含了柵極驅動器的輸出電阻。

MP653x 預驅動器在柵極驅動輸出端具有內部下拉電阻，因此無需在 MOSFET 的漏極到源極之間連接外部電阻。在上管 MOSFET 上放置柵源電阻會導致 BST 電容放電，從而引起 OCP 故障。這個問題將在下文做進一步描述。

死區時間電阻

MP653x 前置驅動器具有可配置死區時間功能，這將在半橋中的一個 MOSFET 關斷與另一個 MOSFET 導通之間插入時間延遲。

該系列器件的死區時間可通過單個接地電阻進行配置，且具有寬配置范圍。60V 器件的死區時間配置范圍為 30nS 至 6μS；100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V 器件的配置范圍則為 77nS 至 4.6μS。

電阻值的計算如下：

$$60V parts: t_{DEAD}(nS) = 3.7*R(kΩ)$$ $$100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V parts: t_{DEAD}(μs) = 0.044*R(kΩ) + 0.1$$

注意，直到死區時間結束，后 SCP 的消隱時間才開始。

自舉 (BST) 電容

自舉電容提供導通 HS MOSFET 所需的大峰值電流。這些電容在輸出被拉低時充電，所充電荷在輸出被拉高時再用于導通 HS MOSFET。注意，當輸出長時間保持高電平時，內部電荷泵會保持自舉電容持續充電。

自舉電容要足夠大才能使上管 MOSFET 完全導通。 否則，上管 MOSFET 兩端的 VDS 將增大，并可能觸發 SCP。

自舉電容的選型取決于 MOSFET 的總柵極電荷。當 HS MOSFET 導通時，存儲在自舉電容中的電荷被傳遞到 HS MOSFET 柵極。最小自舉電容的簡化近似值估算如下：

$$C_{BOOT} > 8*QG$$

其中 QG 是以 nC 為單位的 MOSFET 總柵極電荷，CBOOT 的單位為 nF。

自舉電容不應超過 1μF，否則可能導致啟動時工作不正常。對于大多數應用而言，自舉電容應介于 0.1μF 和 1μF 之間，并采用額定電壓最低 25V 的 X5R/X7R 陶瓷電容。

VREG 旁路電容

為下管 MOSFET 柵極和自舉電容充電所需的大峰值電流主要來自 VREG 旁路電容。VREG 電源只能驅動有限的直流電流。采用太小的電容會導致較低的柵極驅動電壓，從而觸發 SCP 保護。

建議采用最小 10μF 的 X5R/X7R 陶瓷電容，額定電壓最低 25V。較大的電容需要配合非常大的 MOSFET 和/或非常高的 PWM 頻率。

過流保護（LSS 檢測電阻）

過流保護功能通過連接到 LSS 引腳上的單個共享下管分流電阻來感測電機電流。當該電阻兩端的壓降超過 OCP 閾值時（如前文所述），將觸發 OCP。

請注意，OCP 保護過程中的行為因器件而異，具體詳情請參閱表 1。外部檢測電阻的大小取決于是否可在最大預期電機電流下提供小于 500mV（60V 器件）或 175mV（100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V 器件）的壓降。 例如，如果采用 50mΩ 的電阻，10A 電流將帶來 500mV 的壓降，并激活 60V 器件的過流保護。

選型時還需要考慮增加一定的裕量，以便在某些電機電流高于正常值的條件下不會觸發 OCP 保護。例如，需要考慮電機啟動時的失速電流，以及換向產生的電流脈沖。另外，誤換向也常常發生；有時一個旋轉方向上的電流要比另一個方向多，這會導致在每個換向點都出現電流尖峰。

直接將 LSS 接地，可禁用此功能。

OCREF 電壓（SCP 閾值）

SCP 檢測電平由施加到 OCREF 引腳上的電壓來設置。該電壓設置了觸發 OCP 的閾值。如果 MOSFET 的 VDS 在消隱時間之后仍高于 OPCREF，則觸發 OCP。

OCREF 電壓應至少高于所有 MOSFET 在最高預期負載電流下的預期壓降。但 MOSFET 的 rds(on) 變化較大，尤其是在高溫下。而且，PCB 跡線電阻在大電流下也可能接近 MOSFET 電阻。因此，通常情況下，OCREF 需要設置得比初始計算預測值高很多，通常為計算最大值的兩倍。

同樣，還需要考慮峰值電流（諸如換向期間產生的電流），以防止意外激活 OCP 保護。

CSO 引腳電阻和電容（僅適用于100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V 器件）

CSO 引腳電壓超過 3.5V 時會觸發 OCP 事件，所有輸出 FET 都會關斷，nFAULT 引腳被置為低電平有效。

一旦流過下管 FET 和檢測電阻的電流停止，CSO 引腳電壓就不再升高，反而開始以一定的速率下降；下降速率由 CSO 的外部接地電容和電阻決定。當電壓降至 2.9V 以下時，輸出 FET 重新啟用，nFAULT 引腳變為無效。

關斷時間是根據外部電容和內部反饋電阻（可能與外部電阻并聯）的值來設置的。CSO 達到 3.5V 所導致的關斷時間可通過以下公式來估算：

SCP 激活之后（當 VDS 超過 OCREF ）導致的關斷時間會更長，因為 CSO 先被拉至 6V，然后必須衰減至 2.9V 才能重啟輸出。此關斷時間可通過以下公式來估算：

其中 C 是 CSO 的接地電容； R 是 CSO 的接地總電阻，包括內部反饋電阻 (約450kΩ)和任何與之并聯的外部接地電阻。

自舉預充電

自舉電容的預充電雖然不屬于保護功能，但在某些情況下也需要注意。當 BST 電容中的電荷不足時，啟用上管 MOSFET 可能會導致 SCP 故障；因為電荷不足無法完全增強上管 MOSFET。BST 電容的預充電是通過短時間導通下管 MOSFET 來完成的。

這在 120 度換向期間尤其存在問題，它將導致相位在一段時間內處于高阻抗狀態。如果存在漏電流的話，BST 電容可能會在此期間放電。另外，切勿在上管 MOSFET 上添加任何柵源電阻，因為這也將導致 BST 電容放電。

部分 MP653x 器件在特定條件下將執行自動自舉充電序列。該自動序列會在極短的時間內（60V 器件為 1.8μS，100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V型, 100V 器件為 4.6μS）按順序導通每個下管 MOSFET。具體請見表 2。

MP6528、MP6530 MP6530、MP6532、MP6534、MP6535	MP6531A、MPQ6531 MPQ6531、MP6537、MP6538、MP6539
退出高阻態時自動預充電 (1)	從 VREG 紫紫紫 恢復后自動預充電 (2)

表 2：自舉預充電

(1) 120 度換向期間，這些器件在退出高阻抗換向相位時會自動進行升壓預充電。

(2) 120 度換向期間，建議控制器進行自舉電容充電；或在退出高阻抗換向相位時將相位先拉低，再拉高。

雖然內部電荷泵會為自舉電容充電，但在 VREG 紫紫紫 之后，電容仍需要一些時間來充電，因為內部電荷泵只能提供很小的驅動電流。如果在 BST 電容充電之前導通上管 MOSFET，則可能會由于 BST 電容電荷不足而觸發 OCP 故障。這種情況可以通過在導通上管 FET 之前將輸出拉低（導通下管 MOSFET）來預防。輸出端（SHx 引腳）的無源下拉電阻也有助于確保 BST 電容被充電。

禁用保護功能

如果系統不需要 MP653x 器件提供 SCP 和 OCP 保護功能，可以在 OCREF 和 VREG 引腳之間連接 100k 電阻以禁用這些功能。但 VIN UVLO 和 VREG 紫紫紫 功能仍然有效。

審核編輯：彭菁