Quisiera consultarles un problema a todos ustedes. Estoy generando una señal PWM con un STM32G474 y enviándola al controlador MOSFET UCC21520AQDWRQ1. El problema es el siguiente: he introducido un par de ondas cuadradas iguales y opuestas en el UCC21520AQDWRQ1 (verificadas correctamente con el osciloscopio). Sin embargo, independientemente de si conecto o no los MOSFET posteriores, solo en la salida OUTB (transistor inferior) aparece la onda cuadrada amplificada (medida con una punta del osciloscopio a GND y otra a OUTB); mientras que en OUTA (transistor superior) no hay absolutamente nada, aunque parece haber algo parecido a ruido (una punta conectada a OUTA y la otra a VSSA). Cuando no se conecta ningún MOSFET, entre VDDA y VSSA hay 0 V; pero cuando se conecta, aumenta hasta aproximadamente 4,3 V. También intenté conectar VSSA a tierra antes de medir la forma de onda en OUTA, pero tampoco hubo señal alguna.
UCC21520 es un controlador aislado; las salidas de ambos canales deben conectarse a fuentes de alimentación independientes. El transistor inferior debe soldarse, ya que cuando este conduce, la tierra del canal A (VSSA) puede conectarse a través del transistor inferior a tu GND, formando así un circuito para cargar el condensador de alimentación del transistor superior. Luego, cuando el transistor inferior se apaga y el superior se activa, la alimentación del controlador del transistor superior se realiza mediante el condensador bootstrap (la tierra del osciloscopio debe conectarse a VSSA).
Además, a los dos canales A y B se les debe aplicar una señal PWM complementaria, y debe establecerse un tiempo muerto.
Bien, voy a intentarlo.
Este es un problema clásico que se presenta al trabajar con controladores de compuerta tipo “Half-Bridge” o “High-Side”, como el UCC21520. Basado en su descripción y esquema, a continuación se analiza por qué no funciona su salida del lado alto (OUTA) y cómo solucionarlo.
1. El comportamiento “desconectado” (0 V) es normal
Usted mencionó que cuando los MOSFET no están conectados, el voltaje entre VDDA y VSSA es de 0 V. Esto es completamente normal en un circuito alimentado por bootstrap.
- La alimentación del lado alto (VDDA) se proporciona mediante el condensador de “bootstrap” (C108).
- Este condensador solo puede cargarse cuando el nodo de conmutación (VSSA / L_MOS_UP_S) se lleva a tierra.
- Cuando los MOSFET están desconectados, VSSA está flotando. No hay camino para que la corriente fluya desde VCC_10V a través del diodo (D22) para cargar C108. Por lo tanto, el controlador del lado alto no tiene alimentación y no generará ninguna salida.
2. El problema de 4.3 V (UVLO)
Una vez que conecta los MOSFET, observa que el voltaje sube a 4.3 V. Este es el núcleo de su problema.
- UVLO (Bloqueo por Bajo Voltaje): El UCC21520 tiene un circuito interno de protección. Para la versión
AQDWRQ1, el umbral UVLO de los canales de salida es típicamente alrededor de 8 V (al subir) y 7.3 V (al bajar). - Si el voltaje entre VDDA y VSSA es solo de 4.3 V, el controlador del lado alto permanece en modo “bloqueado” para evitar dañar el MOSFET debido a una tensión de puerta insuficiente. Por eso OUTA no muestra señal alguna.
¿Por qué es solo 4.3 V?
- Verifique su fuente VCC_10V: Mida el voltaje en el ánodo de D22 respecto a GND. ¿Realmente es 10 V? Si esa línea es en realidad de 5 V, entonces 5 V menos la caída del diodo (~0.7 V) equivale exactamente a 4.3 V.
- Recarga del bootstrap: Para que el condensador de bootstrap se cargue al voltaje completo de la fuente, el MOSFET del lado bajo (Q3) debe activarse durante un tiempo suficiente. Si el ciclo útil de su PWM para el lado bajo es extremadamente pequeño, o si no está conmutando el lado bajo en absoluto, el condensador no se cargará correctamente.
- Velocidad del diodo: Está usando un 1N4148W. Aunque es rápido, tiene una caída de voltaje directa relativamente alta y capacidad de corriente limitada. En etapas de potencia, suele ser mejor usar un diodo de recuperación rápida o un diodo Schottky con una clasificación de voltaje suficientemente alta (por ejemplo, RS1M o similar).
3. Técnica de medición
Usted mencionó ver señales similares a ruido al medir OUTA respecto a VSSA.
- Referencia flotante: Recuerde que VSSA es el “nodo de conmutación”. Cambia cíclicamente de 0 V a VCC_IN (por ejemplo, 24 V o 48 V).
- Si conecta la pinza de tierra de una sonda convencional del osciloscopio a VSSA, estará conectando la tierra del chasis del osciloscopio a un nodo de conmutación de alta velocidad. Esto genera un ruido común muy elevado y puede incluso dañar su osciloscopio o el controlador.
- Para medir correctamente: Use una sonda diferencial, o use dos sondas (canal 1 en OUTA, canal 2 en VSSA) y active la función matemática (CH1 - CH2).
Pasos recomendados para solucionar:
- Verifique VCC_10V: Asegúrese de que la fuente que alimenta la etapa del controlador sea realmente de 10 V a 12 V. Si es de 5 V, el lado alto del UCC21520 nunca se activará.
- Secuencia inicial de encendido: En su código del STM32, asegúrese de enviar unos pulsos breves al lado bajo (INB) varias veces antes de activar el lado alto (INA). Esto “prepara” el condensador de bootstrap.
- Revise el ciclo útil mínimo: Asegúrese de que su frecuencia PWM no sea tan alta que el tiempo muerto o el tiempo de conducción del lado bajo sea demasiado corto para cargar el condensador de 1 µF (C108).
- Verificación del hardware: Asegúrese de que la conexión en el conector H16 (VSSA al Source) sea sólida. Si hay una resistencia alta aquí, la carga del bootstrap fallará.
- Prueba con una fuente fija: Para descartar problemas del bootstrap, puede conectar temporalmente una fuente externa aislada de 10 V directamente a través de C108 (positivo a VDDA, negativo a VSSA). Si OUTA comienza a funcionar, sabrá que el problema está únicamente en la lógica de carga del bootstrap o en los niveles de voltaje.
¿Es posible lograr un ciclo de trabajo del 100 % si este chip utiliza dos módulos de alimentación aislados separados para suministrar energía a VDDA y VDDB?
Sí, es posible. Alimentar los terminales VDDA y VDDB del UCC21520 con dos módulos de alimentación aislados separados permite perfectamente lograr un ciclo de trabajo del 100%, lo cual constituye una de las configuraciones estándar recomendadas para este chip en aplicaciones de control como lado alto/lado bajo.
Fundamentos y principios clave
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Soporte oficial en el diseño: El UCC21520 es un controlador de puerta aislado de doble canal, que incorpora dos dominios de alimentación secundarios independientes (A y B) (VDDA/VSSA, VDDB/VSSB), permitiendo alimentación separada para cada canal. La hoja técnica indica claramente que puede configurarse para operar como doble lado alto, doble lado bajo o medio puente, siendo totalmente compatible con arquitecturas que usen fuentes independientes.
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Diferencia clave frente al método bootstrap:
- Los circuitos bootstrap no pueden mantener un ciclo de trabajo del 100% indefinidamente, ya que el condensador bootstrap necesita recargarse durante la conducción del transistor inferior, limitando así el ciclo máximo del lado alto.
- Las fuentes aisladas independientes eliminan esta limitación, ya que cada canal se alimenta por separado, permitiendo un ajuste continuo estable del ciclo de trabajo entre 0% y 100%.
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Aislamiento físico garantizado: Existe un aislamiento funcional interno de 1500 VDC entre los dos dominios de alimentación secundarios, capaz de soportar altos voltajes en modo común, asegurando confiabilidad e integridad de señal cuando los lados alto y bajo operan simultáneamente.
Aspectos clave del diseño
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Selección de la fuente de alimentación: El rango de tensión para VDDA/VDDB es de 3 V a 18 V. Se recomienda usar módulos de alimentación aislados con baja ondulación de salida y buena respuesta transitoria, adecuados a los requisitos del controlador de puerta.
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Condensadores de desacoplamiento: Es necesario colocar condensadores cerámicos de baja ESR/ESL (recomendado 0,1 µF–1 µF) cerca de cada entrada de alimentación, conectados directamente entre VDDA-VSSA y VDDB-VSSB, para reducir inductancias parásitas y ruido.
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Conexión a tierra y disposición física (layout): Las tierras de los dos canales (VSSA y VSSB) deben conectarse en un único punto común para evitar bucles de tierra. El diseño del PCB debe ser simétrico, optimizando las trayectorias de control para reducir EMI y ruido de conmutación.
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Control de entradas: Las señales INA/INB deben configurarse correctamente para evitar disparos erróneos del circuito de tiempo muerto, asegurando un control independiente y preciso de cada canal.
Validación práctica
En foros oficiales de TI, se han documentado casos en los que ingenieros utilizaron dos fuentes aisladas independientes de 12 V para alimentar VDDA y VDDB, logrando con éxito una salida con ciclo de trabajo del 100% en inversores, demostrando así la viabilidad y estabilidad de esta solución.
Conclusión
Alimentar VDDA y VDDB mediante fuentes aisladas independientes permite al UCC21520 alcanzar sin restricciones un ciclo de trabajo del 100%, convirtiéndose en la solución preferida para topologías de lado alto/lado bajo, puente completo, etc., eliminando completamente las limitaciones del ciclo de trabajo asociadas a los circuitos bootstrap.