S12ZVM是恩智浦公司推出的汽车级集成产品芯片,它将微处理器、电源、驱动以及各种模拟外设集成在一起的单芯片方案,内部集成了三相电机控制所需的所有元件。所以内部的电源域相对于同等级的MCU要复杂一些,如下图1.1所示为S12ZVM的电源域框图。
下面对实际电路分别进行详细说明。
VSUP是片上稳压器的12V/18V电源电压引脚。这是电压源输入引脚,电压调节器从该电压源生成片上电压源。器件电源电压VSUP为内部稳压器VREG_AUTO提供输入电压,该电压产生电压VDDX,VDD和VDDF。必须在外部对其进行保护,以防止电池反向连接。如下图1.2所示为防反接电路。
选择隔离器件时,有二极管和MOS管两种选择,二极管在导通时会产生压降,电压有一定的损失。而使用MOS管作隔离,在正向导通时,在控制极加合适的电压,可以让MOS管饱和导通,通过电流时几乎不产生压降。故选择N沟道功率MOS管对电源进行隔离。当正确接入电压时,PWR+为12V,PWR-为接地,MOS管UG比US大10V以上,MOS管导通,电流流向PWR-形成回路。当错误接入电压时,PWR+为GND,PWR-接入12V,UG小于US,MOS管不导通,无法形成回路,达到防反接的效果。
如下图1.3所示为数字模拟电源接线图。VDDX域为器件的I/O引脚供电,VDDA为ADC和内部偏置电流发生器供电。VDDA和VDDX引脚必须在板级连接,而不能直接在内部连接。VDDX和VDDA之间存在ESD保护二极管,因此强制使用共同的工作范围。VDD域提供内部设备逻辑。VDDF域提供内部闪存NVM电路的各个部分电压。因为稳定性VDDX和VSSX之间需要片外去耦电容。该电源域由低压复位电路监控。
VDDA和VSSA引脚用于为稳压器的模拟部分供电。这些信号提供内部精密基准电路。在VDDA和VSSA之间需要一个片外去耦电容器,它可以改善该电源的质量。微控制器的所有接地引脚(VSSX1,VSSX2,VSS1,VSS2,VSSA和VSSB,VSSC)必须连接在一起。
电机控制的目的是控制电机轴的速度,旋转方向或位置。这要求以某种方式调制施加到电动机上的电压。这就是使用功率MOSFET的地方。通过以受控方式接通和断开电源开关元件,可以改变施加到电动机上的电压,以便改变电动机轴的速度或位置。
S12ZVM包含一个GDU模块,该模块是为三相电机控制应用设计的场效应晶体管(FET)预驱动器。结合使用自举和电荷泵技术为驱动H桥上部MOSFET的电路供电。自举技术提供了开启功率器件所需的高瞬时电流,而电荷泵提供了足够的电流来维持高端预驱动器部分的偏置电压。如下图2.1所示为GDU的框图。
预驱动器接口直接连接到外部低端和高端功率MOSFET。驱动器的主要功能是将MOSFET从截止状态切换到导通状态,反之亦然,预驱动器将控制信号放大到所需的电平,以驱动功率MOSFET。为了保证可靠的操作,低侧驱动器由VLS稳压器提供,而高侧驱动器则由自举电路直接提供。根据GDU版本的不同,可以传送到每个外部功率MOSFET的栅极电荷分别为50nC和75nC。如下图2.2所示为FET的连接图,下面将详细介绍。
如上图所示,HD连接FET预驱动器高端漏极。在GDU内监视GDU的高端漏极电压输入引脚HD,并将其映射到中断。并用ADC进行监控。HD引脚应尽可能靠近高端MOSFET的漏极连接。VSUP由内部专用的低压降稳压器生成VLS_OUT电压。VLS_OUT电压用于为低端驱动器供电,并且可以直接连接至每个低端驱动器的VLS电源输入。VLS为三个低侧FET预驱动器的电压电源引脚。VLS_OUT引脚上的输出电压通常为11V。建议将陶瓷电容放置在尽可能靠近每个VLS引脚的位置。
HG为高端功率FET的栅极引脚。驱动器提供高电流且低阻抗,以导通和关断高端功率FET。HS应与高端功率FET的源极连接和低端功率FET的漏极连接。自举电容器的低压端也连接到该引脚。LG为低端栅极引脚,这些引脚是低端功率FET的栅极驱动器。驱动器提供高电流且低阻抗,以打开和关闭低端功率FET。LD为低端漏极引脚,应与低端功率FET的漏极连接。LS为低侧源极引脚,应与低侧功率FET的低侧源极连接。该引脚是电源接地引脚,用于从低侧功率FET返回栅极电流。
结合使用自举和电荷泵技术为驱动H桥高端MOSFET的电路供电。自举技术提供了开启功率器件所需的高瞬时电流,而电荷泵提供了足够的电流来维持上驱动器部分和MOSFET上的偏置电压。由于上部偏置电源引脚上的电压与上部电源开关的源极端子“浮动”在一起。高端预驱动器必须为外部FET的栅极电容提供足够的栅极-源极电压和足够的电荷。自举电路用于提供足够的电荷。自举电路使用一组外部二极管和电容器来提供大量电流,以快速导通高端MOSFET,每个器件的栅极必须比电源电压高大约8V电压。故使用内部电荷泵提供栅极驱动电压。
电荷泵电压用于为高端FET预驱动器提供足够的电流,以维持栅源电压。(为了产生该电压,外部电荷泵由引脚CP驱动,在0V和11V之间切换产生方波。然后将抽运的电压施加到引脚VCP。VCP引脚内部连接VBS引脚,为高端FET预驱动器电源引脚VBS提供高电荷输入。如下图2.3左图所示为电荷泵电路,电路可等效为右图。为了方便分析对器件进行了重新编号,下面分析电荷泵的工作原理。
如下图2.4(a)所示,当CP引脚输出0V时,VIN通过D1和D2对C2进行充电,C2两端电压为上正下负;如下图2.4(b)所示,当CP引脚输出11V时,CP电压和VIN电压叠加,通过D2对C2进行充电,如果忽略二极管电压,则C2两端电压等于CP电压VIN电压之和。
电荷泵电容器值取决于为静态HS开关驱动器选择的电荷泵频率,电压纹波和GDU电流。电荷泵二极管必须尽快使用较低的正向压降和开关时间,以实现快速恢复。
S12ZVM中的GDU模块集成了控制器以实现升压转换器。(有些电机在启动的瞬间因为电流过大,会将板子的电压拉低,导致栅源电压不够,这时升压电路打开可以维持栅源电压,其它时候升压电路不起作用)该模块实现了一个开关,该开关由总线的可选频率控制。将VBAT作为输入电压连接到升压转换器,在这种情况下,需要一个附加二极管作为VBAT反向保护。升压电路使能控制位为GDUE_GDOE。如下图2.5所示为升压电路。
由上图所示,升压转换器内部含有用于限制线圈电流的电路,使用GDUBCL寄存器中的GBCL[3:0]位来调整此电流限制。BST引脚内置一个驱动晶体管T1,由总线时钟分频控制。当晶体管接地时,功率二极管反向偏置,流过线圈的电流增加,能量存储在电感线圈中。当晶体管关闭时,电流流过二极管并为电容器充电。线圈电流再次降低,线圈上的电压反转,从而导致更高的输出电压VSUP(即上图的VUSP)。
VSUP引脚上的升压转换器的输出电压经过分压,然后与参考电压Vref进行比较。只要分压电压VSUP低于Vref,就设置GBOE(GDU升压使能),使能升压转换器时钟进行升压。
电流检测放大器集成在S12ZVM微控制器中,用于低端电流测量。该接口由两个片上运算放大器组成,每个都链接到一个独立的ADC通道,用于同时测量两个不同的电流。电流检测放大器通常连接为差分放大器。它检测流过外部功率FET的电流作为电流检测电阻两端的电压。如下图2.6所示为电流检测电路图。
由上图可知,U2把VDDA分压一半提供给电流检测运放进行偏置。电流检测运放的放大倍数为:
当采样电阻为1mΩ时,采集电流最大为: