TI功能安全栅极驱动诊断保护特性概述

TI推出的功能安全栅极驱动UCC5870-Q1，旨在帮助客户实现电驱系统功能安全ASIL-D等级。其内部集成了丰富的保护以及诊断机制，对栅极驱动器本身以及开关管进行保护，可优化设计成本，简化设计复杂度。本文将对UCC5870-Q1内置的这部分诊断保护机制进行概述。

栅极驱动器保护

对UCC5870-Q1本身进行监控保护的机制主要是过温警示（TWN），热关断（TSD）以及丰富的内部自检（BIST）。

过热保护（TWN和TSD）是在IC上电后运行过程中持续监控的。分成原边和副边的TWN和TSD。其中，TWN是当die结温超过TWN_SET触发， 原副边可以分别使能。TWN可以设置是否在nFLT2 pin 脚报警， 相应状态寄存器置位，但IC不会有其他保护动作。

TSD是当die温度升到更高，超过TSD_SET时触发的。其中当原边TSD发生，IC会重新回到RESET状态，SPI无法通讯，输出被拉低。而副边TSD，类似地，输出会直接被拉低。但此时nFLT1如果没有被设置成屏蔽状态，则拉低，而且仍然可以通过SPI通讯，此时可能读取到相应的错误状态寄存器置位（由于TSD后副边电路被关断而导致原副边通讯中断，副边热关断的状态位可能没有被置位，此外，由于副边电路已经关断，可能会伴随时钟以及内部通讯故障状态位置位）。只有当IC冷却到阈值，如果是副边TSD，则还需要重新上下电VCC2，再重新完成上电初始化流程，IC才能重新输出。

UCC5870-Q1作为TI Functional Safety-Compliant的器件，集成了丰富的内部自检（BIST），它是一种对内部诊断保护机制本身作诊断的机制。可以分成电源轨保护机制自检（ABIST），以及各项保护的功能自检（Function BIST）。运行时，会内部模拟故障的产生，来诊断相应的保护是否按要求动作。

其中，ABIST会在IC上电时自动完成，期间会模拟VCC1, VCC2, VEE2以及内部电源轨的过欠压条件，此时在外部无法测试到电源电压的波动。如果内部比较器逻辑错误，没法准确检测到故障状态，则会有相应Analog BIST fault状态位置位，而且IC输出拉低。

功能自检是针对内部其他功能性的保护机制，比如DESAT, INP, STP, GM, SCP/OCP, PS_TSD, VCECLP等保护功能。这些自检需要手动写CONTROL*寄存器相应位来执行模拟故障的过程。可以在CONFIGURATION 2模式或者 ACTIVE模式执行相应的自检。

功率开关管保护

UCC5870-Q1 同时集成了丰富的安全机制，对功率开关管进行相关诊断和保护。包括过流/短路和过温类的保护（OCP, SCP, DESAT, 功率管热关断），关断类的保护（2LTOFF, STO, VCE CLAMP, internal and external MILLER CLAMP）, 输入输出状态检测和保护（Gate monitor， STP），另外，还有TI 特有的开关管健康状态监控。

过流/短路保护

首先，过流和短路保护的关键，是在开关管短路耐受时间（SCWT）内，关断开关管，避免短路产生的热量把开关管损坏。同时兼顾防止误动作，功率耗散，高精度，低成本，设计简易等要点。

OCP和SCP是基于检测流过分流电阻器上的电流压降而判断的过流/短路保护机制。通过UCC5870-Q1集成的ADC通道(AI2, AI4, AI6）采样，可根据选用的功率开关管和分流电阻器的实际参数，设定不同的消隐时间，阈值电压。为了降低损耗和寄生参数的干扰，通常这种保护机制不直接检测著主功率电路的电流，而是检测集成了电流镜的功率开关（senseFET）管按比例缩小后的电流。而集成了senseFET的功率模组则可能提高了系统的成本。

另一类过流保护机制，是退饱和短路保护。它是利用IGBT 超过VCE 转折电压，从饱和区进入有源区后，VCE电压迅速增大而集电极电流不随之增长的特点，直接检测VCE的转折电压，来判断短路事件。其中，VCE转折电压和VGE电压有关， IGBT的正常工作VCE电压一般是1-3V，且转折电压较低，能通过简单的外围电路实现有效的过流保护。而相同规格的SiC Mosfet，由于其内部晶体（die）的面积更小，对关断时间的限制更苛刻，然而SiC Mosfet的转折电压通常却更高，同时，由于SiC Mosfet的高速开关特性，又需要较长的消隐时间来避免高噪声导致的误触发。因此，针对SiC Mosfet的退饱和过流保护的外围电路设计要求更苛刻。

关断类保护

短路保护时需要兼顾关断时高di/dt导致的过冲（overshoot）和关断损耗问题。为了实现可靠关断，UCC5870-Q1有多种关断方法。首先，短路保护和功率管热关断保护都可以灵活配置关断模式为软关断（STO）或者两级关断（2LTOFF）。其中，STO是将驱动的灌电流限制在设定的值，减缓关断斜率，从而减缓VCE 过冲。而如果STO无法满足限制过冲的目的，可考虑更激进的两级关断。它先按照设定灌电流值，把门级电压降至设定的平台电压，这个平台电压使开关管处于放大区，从而通过控制栅极电压控制住漏极电流。在平台区保持设定的时间，然后可选择通过软关断或者普通关断把平台电压放电至VEE。

有源钳位（VCECLP）则在正常运行过程中直接监控集电极电压，一旦VCE超过外围TVS管的雪崩击穿电压，且经过一定的消隐时间（由VCECLP pin脚外围的RC网络参数决定），则驱动能力由正常的灌电流降低至软关断电流值，并持续设定的时间，从而降低过冲电压。

而米勒钳位则是为了应对开关管正常关断时，由于高dv/dt耦合开关管寄生电容产生的米勒电流，流经驱动电阻导致IGBT VGE产生异常压降而重新误导通的问题。米勒钳位为米勒电流提供了低阻抗通路，使开关管即便在高速开关场景也能可靠关断。UCC5870-Q1提供的内部/外部米勒钳位配置选项，可灵活地针对不同的下拉能力需求，寄生参数以及layout设计来选择。

输入输出状态检测保护

为防止上下管直通而导致严重的烧毁，UCC5870-Q1集成STP来避免直通。PWM输入引脚分为IN+和IN-，且在同一组半桥驱动的配置中，上管驱动的IN+连接下管驱动IN-。当内部死区时间CFG1[TDEAD]设置成0，若IN+和IN-同时高电平，则报错，且按配置做相应保护动作。当内部死区时间CFG1[TDEAD]设置成大于0，则会在输出时自动插入相应的死区时间，避免直通。

为保证输入输出电平的一致性，UCC5870-Q1内部集成了2种PWM通道信号完整性检测机制。其中，GM_Fault机制是直接检测输出实际电压并转换成逻辑电平，与输入IN+逻辑电平比较。为了防止电平转换阶段误报，可灵活配置消隐时间。

开关管健康状态检测

最后，介绍一下UCC5870-Q1特有的开关管健康状态检测。根据权威论文的实测数据[4]，由于开关管导通阈值VGTH在考虑不同因数影响下，相对于开关次数展现出更清晰稳定的单调性趋势， VGTH是监控开关管健康状态的理想参数。而UCC5870-Q1集成的检测VGTH方法如下。当通过CONTROL2[VGTH_MEAS]位使能VGTH? 监控，则DESAT和OUTH间的开关管导通，给外部功率开关管门级恒流充电。当门级电压达到导通阈值VGTH ，主功率开关管开始导通，内部恒流源电流换流，全部流经DESAT pin脚外部二极管和功率开关管，即门级电压被自动钳位在VGTH 。内部ADC从使能命令开始经过固定的消隐时间tdVGTHM后即可采到实时的开关管VGTH。MCU根据采回的实时VGTH即可判断实时开关管的健康状态。

总结

UCC5870-Q1集成了丰富强大的保护功能，可靠保护开关管以及驱动芯片在复杂而恶劣的电驱环境中运行。本文对这些保护功能的设计目的，触发条件，保护逻辑以及相关配置进行了说明，有助于工程师全面了解UCC5870-Q1的特点。

审核编辑：汤梓红