Хочу задать вопрос уважаемым специалистам. Я генерирую ШИМ-сигнал с помощью микроконтроллера STM32G474 и передаю его на драйвер UCC21520AQDWRQ1 для управления MOSFET-транзисторами. Проблема в следующем: я подаю на UCC21520AQDWRQ1 пару одинаковых по амплитуде, но противофазных прямоугольных сигналов (проверил осциллографом — всё верно). Однако независимо от того, подключены ли после драйвера MOSFET-транзисторы или нет, на выходе UCC21520AQDWRQ1 только на OUTB (нижний ключ) присутствует усиленный прямоугольный сигнал (щуп осциллографа подключён между GND и OUTB), а на OUTA (верхний ключ) вообще ничего нет, хотя при измерении между OUTA и VSSA наблюдаются какие-то помехи, похожие на шум. Когда MOSFET не подключены, напряжение между VDDA и VSSA равно 0 В; при подключении оно составляет около 4,3 В. Я также пробовал соединить VSSA с землёй и снова измерить форму сигнала на OUTA — результата нет, по-прежнему ничего не наблюдается.
UCC21520 — это изолированный драйвер, для выходов обоих каналов необходимо подключать независимые источники питания. Нижний ключ должен быть обязательно припаян: только тогда, когда нижний ключ открыт, земля канала A (VSSA) сможет через него соединиться с общей GND и образовать замкнутый контур, необходимый для зарядки конденсатора питания верхнего ключа. Затем, после закрытия нижнего ключа и открытия верхнего, питание драйвера верхнего ключа будет осуществляться за счёт конденсатора по схеме самопитания (подъёма потенциала). Обратите внимание, что землю осциллографа нужно подключать к VSSA. Кроме того, на два канала AB необходимо подавать взаимодополняющие PWM-сигналы, обязательно установив время мёртвого хода.
Хорошо, я попробую.
Это классическая проблема, с которой сталкиваются при работе с драйверами затворов типа «Half-Bridge» или «High-Side», такими как UCC21520. На основе вашего описания и схемы ниже приведён анализ того, почему не работает верхний плечевой выход (OUTA), а также способы устранения проблемы.
1. Состояние «отключено» (0 В) — это нормально
Вы отметили, что при отключённых МОП-транзисторах напряжение между VDDA и VSSA составляет 0 В. Это абсолютно нормальное явление для схемы с питанием через бутстрап.
- Питание верхнего плеча (VDDA) подаётся через бутстрапный конденсатор (C108).
- Этот конденсатор может заряжаться только тогда, когда коммутируемый узел (VSSA / L_MOS_UP_S) соединяется с землёй.
- Когда МОП-транзисторы отключены, VSSA находится в плавающем состоянии. Нет пути для протекания тока от шины VCC_10V через диод (D22) к зарядке C108. Следовательно, драйвер верхнего плеча не имеет питания и не будет выдавать сигнал.
2. Проблема с напряжением 4,3 В (UVLO)
После подключения МОП-транзисторов вы наблюдаете повышение напряжения до 4,3 В. Это и есть суть вашей проблемы.
- UVLO (защита от пониженного напряжения): У микросхемы UCC21520 имеется внутренняя защитная цепь. Для версии
AQDWRQ1порог UVLO по каналам вывода обычно составляет около 8 В (при возрастании) и 7,3 В (при снижении). - Если напряжение между VDDA и VSSA всего 4,3 В, драйвер верхнего плеча остаётся в режиме блокировки, чтобы предотвратить повреждение МОП-транзистора из-за недостаточного напряжения на затворе. Именно поэтому OUTA ничего не выдаёт.
Почему напряжение всего 4,3 В?
- Проверьте шину VCC_10V: Измерьте напряжение на аноде диода D22 относительно земли. Действительно ли оно составляет 10 В? Если эта шина на самом деле 5 В, то 5 В минус падение напряжения на диоде (~0,7 В) как раз дают 4,3 В.
- Обновление бутстрапа: Чтобы бутстрапный конденсатор зарядился до полного напряжения шины, нижний МОП-транзистор (Q3) должен включаться на достаточное время. Если скважность ШИМ-сигнала нижнего плеча очень мала или вообще нет переключений нижнего плеча, конденсатор не сможет зарядиться должным образом.
- Скорость диода: Вы используете диод 1N4148W. Он достаточно быстрый, но имеет относительно высокое прямое падение напряжения и ограниченную токовую нагрузку. Для силовых каскадов лучше использовать быстровосстанавливающийся диод или шотткиевский диод с достаточным обратным напряжением (например, RS1M или аналогичный).
3. Метод измерения
Вы упомянули, что при измерении сигнала между OUTA и VSSA наблюдаются «шумоподобные импульсы».
- Плавающая опорная точка: Помните, что VSSA — это «коммутируемый узел». Он периодически переключается от 0 В до VCC_IN (например, 24 В или 48 В).
- Если вы подключите стандартный щуп осциллографа (земляной зажим) к VSSA, вы соедините корпус осциллографа с высокоскоростным коммутируемым узлом. Это вызовет сильные помехи по общей цепи и может даже привести к повреждению осциллографа или драйвера.
- Правильное измерение: Используйте дифференциальный щуп, либо два щупа (канал 1 на OUTA, канал 2 на VSSA) и функцию математического вычитания (CH1 - CH2).
Рекомендуемые действия для устранения проблемы:
- Проверьте VCC_10V: Убедитесь, что напряжение, поступающее на каскад драйвера, действительно составляет 10–12 В. Если оно 5 В, драйвер верхнего плеча никогда не запустится.
- Последовательность включения: В коде STM32 убедитесь, что перед запуском верхнего плеча (INA) вы несколько раз подаёте импульс на нижнее плечо (INB). Это «раскачает» бутстрапный конденсатор.
- Проверьте минимальную длительность импульса: Убедитесь, что частота ШИМ не слишком высока, чтобы время «мёртвого хода» или время включения нижнего плеча было достаточно для зарядки конденсатора 1 мкФ (C108).
- Проверка соединений: Убедитесь, что соединение на разъёме H16 (VSSA к истоку) надёжное. При высоком сопротивлении здесь процесс зарядки бутстрапа будет нарушен.
- Тест с внешним источником: Чтобы исключить проблемы с бутстрапом, временно подключите изолированный внешний источник питания 10 В непосредственно параллельно C108 (плюс к VDDA, минус к VSSA). Если OUTA начнёт работать, значит проблема точно связана с логикой зарядки бутстрапа или уровнем напряжения.
Можно ли достичь 100% заполнения, если использовать два изолированных модуля питания для подачи питания на VDDA и VDDB этого чипа?
Можно. Использование двух изолированных модулей питания для отдельного питания выводов VDDA и VDDB микросхемы UCC21520 полностью позволяет достичь 100% скважности, что является одним из стандартных проектных решений данной микросхемы в сценариях управления верхним/нижним ключами.
Основные обоснования и принцип работы
- Поддержка со стороны производителя: UCC21520 — это двухканальный изолированный драйвер затвора, имеющий независимые вторичные источники питания A и B (VDDA/VSSA, VDDB/VSSB), поддерживающие независимое питание обоих каналов. В техническом описании чётко указано, что микросхема может быть настроена для работы в режимах двух верхних / двух нижних / полумостового драйвера, что полностью соответствует архитектуре с независимыми источниками питания.
- Ключевое отличие от схемы с самопитанием (bootstrap):
- Схема с самопитанием не может обеспечить длительную 100% скважность, поскольку конденсатор самопитания заряжается только при проводящем состоянии нижнего ключа, что ограничивает максимальную скважность верхнего ключа.
- Независимые изолированные источники питания не имеют таких ограничений: каждый источник самостоятельно питает свой канал, обеспечивая стабильную работу при регулировке скважности от 0% до 100%.
- Гарантия электрической изоляции: Между двумя вторичными цепями питания предусмотрена внутренняя функциональная изоляция 1500 В постоянного тока, способная выдерживать высокое напряжение синфазного сигнала, что гарантирует надёжность и целостность сигналов при одновременной работе верхнего и нижнего ключей.
Ключевые аспекты проектирования
- Выбор источников питания: Диапазон напряжения питания VDDA/VDDB составляет 3–18 В. Рекомендуется использовать изолированные модули питания с малым уровнем пульсаций и быстрым переходным откликом, соответствующие требованиям к управлению затвором.
- Разделительные конденсаторы: Для каждого канала необходимо установить керамические конденсаторы с низким ESR/ESL (рекомендуемый диапазон: 0,1–1 мкФ) максимально близко к контактам VDDA-VSSA и VDDB-VSSB, чтобы уменьшить паразитную индуктивность и помехи.
- Заземление и трассировка печатной платы: Земли двух цепей питания (VSSA, VSSB) должны быть соединены в одной точке, чтобы избежать образования контуров заземления; трассировка на печатной плате должна быть симметричной, чтобы минимизировать ЭМИ и коммутационные шумы.
- Управление входами: Входы INA/INB должны быть правильно настроены, чтобы избежать ложного срабатывания схемы мёртвого времени и обеспечить независимое управление каналами.
Практическая проверка решения
На официальном форуме Texas Instruments приведён пример, когда инженер использовал два независимых изолированных источника 12 В для питания VDDA и VDDB, успешно реализовав на инверторе выходной сигнал с 100% скважностью, что подтвердило работоспособность и стабильность данного решения.
Заключение
Использование независимых изолированных источников питания для VDDA и VDDB позволяет микросхеме UCC21520 без ограничений достигать 100% скважности, что делает данное решение предпочтительным для схем управления верхним/нижним ключами, полномостовых преобразователей и других топологий, позволяя полностью избежать ограничений по скважности, присущих схемам с самопитанием.