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。
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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。
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