Tôi muốn hỏi các cao thủ một vấn đề, tôi dùng STM32G474 tạo tín hiệu PWM gửi đến UCC21520AQDWRQ1 để điều khiển MOSFET. Vấn đề hiện tại là tôi đã đưa vào cặp tín hiệu sóng vuông ngược pha có biên độ bằng nhau (đã kiểm tra bằng dao động ký và xác nhận là đúng). Tuy nhiên, bất kể có nối hay không nối MOSFET ở tầng sau, ở đầu ra của UCC21520AQDWRQ1 chỉ có OUTB (MOSFET dưới) xuất hiện sóng vuông được khuếch đại (một đầu đo nối GND, một đầu đo nối OUTB), còn OUTA (MOSFET trên) thì hoàn toàn không có gì, tuy nhiên thỉnh thoảng lại thấy giống như nhiễu (một đầu đo nối OUTA, một đầu đo nối VSSA). Khi chưa nối MOSFET thì điện áp giữa VDDA và VSSA là 0V, nhưng khi nối vào thì điện áp này tăng lên khoảng 4,3V. Tôi cũng đã thử nối VSSA xuống GND rồi đo dạng sóng OUTA, nhưng vẫn không thấy tín hiệu nào cả.
UCC21520 là bộ điều khiển cách ly, đầu ra của hai kênh đều cần được nối với nguồn điện độc lập. Transistor dưới (lower-side) bắt buộc phải hàn vào, bởi khi transistor dưới dẫn thông, chân đất vssa của kênh A mới có thể thông qua transistor dưới nối với GND để tạo thành mạch kín, từ đó nạp điện cho tụ cung cấp nguồn cho transistor trên (upper-side). Sau đó, khi transistor dưới tắt và transistor trên dẫn thông, nguồn cấp cho mạch điều khiển transistor trên sẽ được cung cấp nhờ cơ chế tự nâng (bootstrap) qua tụ điện (lưu ý: mass của máy hiện sóng cần nối với vssa).
Hơn nữa, hai kênh A và B cần được cấp tín hiệu PWM đối xứng nhau và phải thiết lập thời gian chết (dead time) phù hợp.
Được rồi, tôi sẽ thử xem.
Đây là một vấn đề kinh điển thường gặp khi làm việc với các bộ điều khiển cổng kiểu “Half-Bridge” hoặc “High-Side” như UCC21520. Dựa trên mô tả và sơ đồ mạch của bạn, dưới đây là phân tích lý do tại sao phía cao (OUTA) không hoạt động và cách khắc phục.
1. Hiện tượng “Ngắt kết nối” (0V) là bình thường
Bạn nói rằng khi các MOSFET chưa được nối, điện áp giữa VDDA và VSSA là 0V. Đây là hiện tượng hoàn toàn bình thường đối với mạch dùng nguồn bootstrap.
- Nguồn cấp cho phía cao (VDDA) được cung cấp thông qua tụ điện “Bootstrap” (C108).
- Tụ này chỉ có thể nạp điện khi nút chuyển mạch (VSSA / L_MOS_UP_S) được kéo xuống mass.
- Khi các MOSFET bị ngắt kết nối, VSSA ở trạng thái lơ lửng (floating). Không có đường dẫn để dòng điện chạy từ VCC_10V qua diode (D22) để nạp cho C108. Do đó, bộ điều khiển phía cao không có nguồn và sẽ không phát ra tín hiệu nào.
2. Vấn đề 4.3V (UVLO)
Khi bạn nối các MOSFET vào, điện áp tăng lên 4.3V. Đây chính là nguyên nhân cốt lõi của sự cố.
- UVLO (Khóa do điện áp thấp - Under-Voltage Lock-Out): UCC21520 có mạch bảo vệ nội bộ. Đối với phiên bản
AQDWRQ1, ngưỡng UVLO của kênh đầu ra thường khoảng 8V (khi tăng) và 7.3V (khi giảm). - Nếu điện áp giữa VDDA và VSSA chỉ đạt 4.3V, bộ điều khiển phía cao sẽ giữ ở chế độ “khóa”, nhằm ngăn việc kích MOSFET với điện áp cổng không đủ, có thể gây hư hỏng. Đây là lý do OUTA không có tín hiệu gì.
Tại sao lại chỉ có 4.3V?
- Kiểm tra rail VCC_10V: Đo điện áp tại cực anode của D22 so với GND. Có thực sự là 10V không? Nếu rail này thực tế là 5V, thì 5V trừ đi sụt áp diode (~0.7V) sẽ đúng bằng 4.3V.
- Làm mới Bootstrap: Để tụ bootstrap nạp đầy đến điện áp rail, MOSFET phía thấp (Q3) phải bật ON trong thời gian đủ dài. Nếu chu kỳ nhiệm vụ PWM của phía thấp quá nhỏ, hoặc bạn chưa bật phía thấp, tụ sẽ không nạp đầy.
- Tốc độ diode: Bạn đang dùng 1N4148W. Mặc dù là diode nhanh, nhưng nó có sụt áp thuận tương đối cao và dòng giới hạn. Trong các mạch công suất, tốt hơn nên dùng diode khôi phục nhanh (Fast Recovery Diode) hoặc diode Schottky có định mức điện áp đủ cao (ví dụ: RS1M hoặc tương tự).
3. Phương pháp đo đạc
Bạn nói thấy các tín hiệu giống “nhiễu” khi đo OUTA so với VSSA.
- Tham chiếu lơ lửng: Nhớ rằng VSSA là “nút chuyển mạch”. Nó nhảy liên tục từ 0V lên VCC_IN (ví dụ: 24V hoặc 48V) mỗi chu kỳ.
- Nếu bạn nối dây mass của đầu dò oscilloscope thông thường vào VSSA, bạn đang nối mass vỏ máy scope vào một nút chuyển mạch tốc độ cao. Điều này tạo ra nhiễu chênh lệch lớn và thậm chí có thể làm cháy scope hoặc bộ điều khiển.
- Để đo chính xác: Hãy dùng đầu dò vi sai (Differential Probe), hoặc dùng hai đầu dò (kênh 1 đặt tại OUTA, kênh 2 đặt tại VSSA), rồi dùng chức năng Math (CH1 - CH2).
Các bước khuyến nghị để sửa lỗi:
- Xác minh VCC_10V: Đảm bảo nguồn cấp vào mạch điều khiển thực sự là 10V–12V. Nếu chỉ có 5V, phía cao của UCC21520 sẽ không bao giờ khởi động được.
- Trình tự cấp nguồn ban đầu: Trong code STM32, hãy đảm bảo bạn phát xung vài lần cho phía thấp (INB) trước khi bật phía cao (INA). Việc này giúp “mồi” (prime) tụ bootstrap.
- Kiểm tra chu kỳ nhiệm vụ tối thiểu: Đảm bảo tần số PWM của bạn không quá cao đến mức thời gian chết (dead-time) hoặc thời gian ON của phía thấp quá ngắn để nạp đầy tụ 1µF (C108).
- Kiểm tra phần cứng: Đảm bảo kết nối tại chân H16 (VSSA tới Source) chắc chắn. Nếu điện trở tại đây quá cao, quá trình nạp điện bootstrap sẽ thất bại.
- Thử nghiệm với nguồn cố định: Để loại trừ lỗi do bootstrap, bạn có thể tạm thời nối một nguồn 10V cách ly bên ngoài trực tiếp qua hai đầu tụ C108 (cực dương vào VDDA, cực âm vào VSSA). Nếu OUTA bắt đầu hoạt động, bạn biết rằng vấn đề nằm hoàn toàn ở logic nạp/bootstrap hoặc mức điện áp.
Việc sử dụng hai mô-đun nguồn cách ly riêng biệt để cấp điện cho VDDA và VDDB có thể giúp chip này đạt được độ rộng xung 100% không?
Có thể được. Sử dụng hai mô-đun nguồn cách ly riêng biệt cấp điện cho VDDA và VDDB của UCC21520, hoàn toàn có thể đạt được độ rộng xung 100%, đây cũng là một trong những phương án thiết kế tiêu chuẩn của chip này trong các ứng dụng điều khiển cổng cao áp/thấp áp.
Cơ sở và nguyên lý chính
- Hỗ trợ thiết kế từ nhà sản xuất: UCC21520 là bộ điều khiển cổng cách ly hai kênh, tích hợp hai miền nguồn độc lập phía thứ cấp A và B (VDDA/VSSA, VDDB/VSSB), hỗ trợ cấp nguồn riêng biệt cho hai kênh. Sổ tay dữ liệu ghi rõ rằng nó có thể cấu hình để điều khiển hai kênh cao áp, hai kênh thấp áp hoặc cầu nửa, hoàn toàn phù hợp với kiến trúc cấp nguồn độc lập.
- Sự khác biệt then chốt so với mạch tự kích (bootstrap):
- Mạch tự kích không thể duy trì độ rộng xung 100% lâu dài, vì tụ tự kích cần được nạp điện khi công tắc phía dưới dẫn, do đó độ rộng xung phía cao áp bị giới hạn.
- Nguồn cách ly độc lập không có giới hạn này, mỗi nguồn cung cấp điện riêng cho từng kênh, có thể ổn định hỗ trợ điều chỉnh liên tục độ rộng xung từ 0% đến 100%.
- Đảm bảo cách ly phần cứng: Giữa hai miền nguồn phía thứ cấp có cách ly chức năng nội bộ 1500 VDC, chịu được điện áp chế độ chung cao, đảm bảo độ tin cậy và tính toàn vẹn tín hiệu khi cả kênh cao áp và thấp áp hoạt động đồng thời.
Các điểm thiết kế quan trọng
- Lựa chọn nguồn: Phạm vi điện áp cấp cho VDDA/VDDB là 3 V–18 V, đề nghị chọn các mô-đun nguồn cách ly có gợn sóng đầu ra nhỏ và đáp ứng quá độ nhanh, phù hợp với yêu cầu điều khiển cổng.
- Tụ lọc nguồn: Mỗi kênh cần đặt tụ gốm ESR/ESL thấp (khuyên dùng 0,1 µF–1 µF) gần chân VDDA-VSSA và VDDB-VSSB, nhằm giảm cảm kháng ký sinh và nhiễu.
- Nối đất và bố trí mạch in (PCB): Hai điểm nối đất của nguồn (VSSA, VSSB) cần được kết nối tại một điểm duy nhất, tránh vòng lặp đất; bố trí PCB cân xứng, tối ưu hóa vòng điều khiển để giảm EMI và nhiễu chuyển mạch.
- Điều khiển đầu vào: Các tín hiệu đầu vào INA/INB cần được cấu hình chính xác, tránh kích hoạt nhầm mạch thời gian chết, đảm bảo điều khiển độc lập cho từng kênh.
Xác minh thực tế
Trên diễn đàn chính thức của TI, có trường hợp kỹ sư sử dụng hai nguồn cách ly độc lập 12 V cấp riêng cho VDDA và VDDB, đã thành công trong việc tạo ra độ rộng xung 100% cho bộ nghịch lưu, chứng minh tính khả thi và ổn định của phương án này.
Tổng kết
Việc sử dụng nguồn cách ly độc lập cấp điện cho VDDA và VDDB giúp UCC21520 có thể đạt độ rộng xung 100% mà không bị giới hạn, là giải pháp ưu tiên cho các cấu hình điều khiển cao áp/thấp áp, cầu đầy đủ, hoàn toàn khắc phục được nhược điểm giới hạn độ rộng xung của mạch tự kích.