汽车: 如何评估驱动芯片的模拟采样精度

作者：Scarlett Cao

关键物料：UCC21750-Q1, UCC5880-Q1

TI 针对新能源电驱应用场景的明星产品有不带 SPI接口的智能驱动UCC21750-Q1系列和带SPI接口的 ASILD功能安全驱动UCC5880-Q1系列。UCC21750-Q1具有DESAT保护、内置米勒钳位、隔离采样通道、针对短路过流故障的/FLT pin及针对供电电源的RDY pin输出。UCC5880-Q1为TI的第二代功能安全栅极驱动芯片，具有可调驱动电流，丰富的诊断保护功能和优异的鲁棒性。UCC21750-Q1有一个隔离采样通道，UCC5880-Q1具有两个隔离采样通道，可以用于采样模组温度，DC link电压等应用场景。本文主要介绍隔离驱动芯片的采样的应用方法和精度分析。

1. 隔离采样通道介绍

驱动的隔离采样通道通常为模拟信号输入，通过占空比信号或SPI输出。对于non SPI的驱动芯片如UCC21750-Q1系列来说，从AIN pin输入0-4.5V的模拟信号，通过APWM 输出频率为400kHz的PMW 信号，其占空比反应输入的模拟值大小，可以直接接到MCU的I/O口进行读数，也可以通过外接RC转换成模拟值读取，如下图1所示。 对于UCC5880-Q1来说，在内置ADC采样后，除了通过DOUT pin占空比输出外，用户还可选择通过SPI对采样结果进行读数，如下图2所示。

图1 UCC21750-Q1内置隔离采样通道示意图

图2 UCC5880-Q1内置隔离采样通道示意图

2. 采样偏置方式介绍

模拟采样通道的偏置方式通常有电压型和电流型两种。使用电流型偏置的应用场景主要为外置热敏二极管类的场合，参考图3所示。芯片内部产生恒定的电流源流过功率模组的热敏二极管产生压降，根据热敏二极管的V-T特性曲线（如图4）反推当前的温度。

图3 电流型偏置示意图

图4 热敏电阻温度特性曲线

电压型偏置的应用场景为母线电压采样或基于NTC或PTC 的温度采样。以母线电压采样为例，可以通过电阻网络分压将电压采样的范围转换到ADC输入范围。对UCC21750-Q1来说，内部的偏置电流源不能关掉，所以分析结果时需要减去电流源在上产生的压降影响。而对UCC5880-Q1来说, 在使用电压偏置时，可以通过寄存器配置关掉内置的偏置电流源。

图5 电压型偏置示意图

3. 隔离采样精度分析

如下图6所示，隔离采样中的误差主要有以下三个主要来源：

• 信号源误差

• AD转换误差

• MCU量化误差

图6 隔离采样精度分析

第一部分信号源误差主要指的是对被采样信号产生的测量误差，使用电流偏置型电路的需要考虑电流源大小的误差，使用电压型偏置电路的需要考虑分压电阻网络产生的误差。如果使用了驱动芯片的VREF输出进行偏置，也同样需要考虑偏置源VREF本身产生的误差。

第二部分AD转换误差指驱动芯片收到二次侧的模拟信号输入，转换成占空比输出产生的误差。对UCC21750-Q1来说，这一误差可以通过Datasheet的对应电压范围的精度这个指标得到。对UCC5880-Q1来说，在不同的输入电压范围ADC精度的LSB不同，以电压下 ADC精度worst case为例，采样精度为，其中N为UCC5880-Q1 ADC的位数。

第三部分MCU 对APWM/DOUT采样的量化误差, 这与MCU的采样频率和APWM/DOUT的输出频率相关。UCC21750-Q1的APWM频率为固定的400kHz，而UCC5880-Q1 DOUT输出频率为两档可配。这一部分产生的量化误差为 ，其中为MCU采样频率，为驱动芯片PWM输出频率。 这里需要注意的是MCU 采样的是占空比还是导通时间。如果MCU采样的是导通时间，则还需要考虑PWM输出频率抖动造成的影响。

当然，如果将驱动芯片PWM输出通过RC滤波形成模拟量采样，则不需要考虑量化误差的影响，只需要考虑MCU端采样的精度。如果使用UCC5880-Q1并通过SPI对AD采样结果进行读数，也不需要考虑第三部分的影响。