來源：納芯微電子

隨著電機驅動器對性能、安全及小型化的要求不斷提升，芯片集成度面臨更高挑戰。納芯微Prime Drive系列NSI67x0智能隔離柵極驅動憑借其集成的保護功能與模擬信號采樣，為應對這一發展趨勢提供了解決方案。

本應用報告提供了NSI67x0的應用框圖和實測波形。NSI67x0所集成的高精度模數轉換通道不僅能減少物料清單(BOM)數量、縮小電路板尺寸，還能簡化設計流程，為客戶系統高可靠運行保駕護航。

01智能隔離柵極驅動NSI67x0基本信息

1.1. 內部ESD結構說明

NSI67x0內部ESD結構如圖所示，控制側所有引腳均連接至GND1的ESD保護二極管，用藍色表示。除FLT與RDY引腳為開漏輸出外，其余引腳同時連接至VCC1的ESD保護二極管，用綠色表示。VCC1與GND1之間設置有主ESD二極管，用紅色表示。驅動側的所有引腳均配置至VCC2和VEE2的ESD保護二極管中，OUTH至VCC2、OUTL至VEE2以及CLAMP至VEE2為功率MOSFET的體二極管，用黃色表示。

圖1.1 內部ESD結構

1.2. 典型應用電路

圖1.2 典型應用電路

02AIN-APWM模擬采樣功能

2.1. 功能描述

NSI67x0系列智能隔離柵極驅動具有一個隔離式的模擬通道，無需額外器件即可實現對信號的隔離檢測。模擬輸入(AIN)引腳可接收0.3V至4.6V的信號，該信號通過比較器和鋸齒波形轉換為PWM信號。然后，這個PWM信號經過編碼傳輸到控制側，在APWM引腳輸出一個頻率為10khz的方波信號，其占空比在8%至94%之間隨AIN電壓線性變化，在電壓范圍兩邊存在遲滯區間。

在0.2V-0.3V之間，占空比會在94%-98%隨機變化。在4.6V-4.8V之間，占空比會在2%-8%隨機變化。由于AIN的輸入范圍是0.3V至4.6V，對于以0V為中心或參考0V的輸入信號，需要增加直流偏置并對信號進行衰減或放大，以便充分利用整個輸入范圍。AIN引腳漏電流小于20nA，在精度計算時可以忽略不計。

圖2.1 AIN-APWM應用框圖

圖2.2 APWM占空比 vs AIN電壓值

2.2. AIN-APWM實測波形

通過在AIN引腳上測試從0.3V到4.6V的階躍響應輸入，并捕獲顯示PWM占空比從94%下降到8%的APWM引腳輸出波形，來確定隔離模擬通道的響應時間，該響應時間小于100us，即1個APWM的周期。

圖2.3 APWM對于階躍信號的輸出響應

PWM占空比可由MCU直接測量，也可通過RC濾波器以去除高頻載波信號后再測量。展示模擬信號輸入到MCU時的響應時間。由于輸入與輸出呈反比關系，該信號進行了取反操作。

圖2.4 RC濾波參數

圖2.5 RC濾波后的APWM對于階躍信號的輸出響應

使用高精度的臺式電源在AIN引腳施加直流輸入，測量APWM輸出端占空比并與理論值比較。測試結果表明，APWM占空比的絕對誤差極小，可實現精確測量。

圖2.6 APWM通道的絕對誤差

03測量功率管模塊結溫應用說明

3.1. NTC特性介紹

在電力電子應用中，功率管模塊的結溫是其重要的參數之一，市面上許多功率管廠家都會在模塊內部靠近硅片的位置安裝一個NTC熱敏電阻作為溫度傳感器使用。通過NSI67x0系列集成的AIN-APWM功能測量功率管模塊結溫，便是其常見的應用之一。

但是，功率管模塊內部集成的NTC電阻往往具有非線性的特點，在低溫下會有幾百kΩ，而在高溫下只有幾十Ω，給測量帶來了極大的困難。如果要實現高精度的測量通常需要有高精度的器件配合復雜的校正算法。這里納芯微提供幾種常用的測量方法供參考。

圖3.1 市面上某模塊NTC阻值特性

3.2. 方法一 內部恒流源直接測量

NSI6730系列AIN引腳內部自帶一個200uA的恒流源，線性范圍為0.3V-4.6V。直接將電流源接在NTC電阻上，顯然會在高低溫條件下會超出量程范圍。因此，需要通過串聯R1來增加高溫下的被測阻值，并聯R2來減小低溫下的被測阻值。為了減小誤差以及電阻溫漂的影響，盡可能選用千分之一精度的電阻。AIN引腳的電壓計算公式如下：

圖3.2 內部恒流源直接測量電路原理圖

采用該測量方法，具有成本低、電路結構簡單、外圍器件少、便于采樣精度計算等特點。缺點則是受限于內部電流源精度，測量精度較差。

3.3. 方法二 外部搭建電壓源測量

如果要使用外部搭建電壓源測量的方法，優先推薦使用納芯微NSI6770系列，AIN引腳內部無電流源的版本，去除電流源帶來的影響以提高采樣精度。NSI6770系列專為該應用場景打造。

采用此方法時需要外部構建一個高精度的電壓源，推薦使用精密基準構建一個外部5V電壓源，具體電路原理圖如下。

圖3.3 采用精密基準搭建5V電壓源

通過選取合適的R1和R2，充分利用AIN采樣的線性區間。需要注意的是，R1的阻值不宜選的太小，選的太小會導致損耗增加，加熱NTC，影響測試結果。也不宜選的太大，R1電阻太大，會影響高溫時的采樣精度。因此需要根據所選用的功率管模塊內部的NTC電阻特性，匹配合適的電阻阻值。

以市面上某功率模塊為例，NTC熱導率為145K/W。假設測到120攝氏度時允許1K的溫度偏差，則內部NTC的功率損耗不能超過PMAX=6.9mW。若此時NTC電阻阻值為90Ω，則電流必須要小于8.76mA。因此R1電阻值必須大于480ohm。

圖3.4 電壓源測量電路原理圖

3.4. 方法三 軟件查表法

基于方法一和方法二中提及的NTC電阻采樣電路，配合軟件查表法可以進一步提高采樣精度。具體實施方案如下。

根據功率管廠家給出的NTC阻值和溫度的關系，結合所使用的AIN采樣電路結構，可以計算得到AIN電壓值和溫度的關系，通過AIN電壓值和APWM占空比的轉化公式，進而整理得到APWM占空比和溫度的關系表，將該表輸入至MCU。實際應用中可以通過查表法配合多項式插值進一步提高算法精度。當MCU讀到占空比時，可以通過查表得到所屬區間，再通過多項式差值法，求得對應溫度。

出廠前需要對AIN電壓值進行單點或多點校正，得到校正系數后，在后續測量過程中，將測量結果乘以校正系數進行校正。

關于校正系數計算說明，首先選擇室溫25℃作為參考點。將高精度溫度計與設備放置在同一恒溫環境，記錄此時標準溫度計的溫度值Tref 。使用示波器測量實際的APWM占空比Dref 。通過公式計算修正系數。如果高低溫誤差較大。也可以進行分段校正。

3.5. 誤差計算

在確定了一個合適的采樣電路之后，便需要對于該采樣電路的誤差進行計算。這一步非常重要，一個合理的誤差分析有利于判斷采樣結果的可信度以及評估系統的容錯能力。

采樣方法二為例，計算誤差主要考慮的因素有：NTC阻值的偏差、電壓源的偏差、串并聯電阻精度偏差以及AIN-APWM占空比轉化的偏差。每一個因素都可視為一個隨機誤差，彼此之間相互獨立，且滿足正態分布。因此根據統計學誤差分析，適用“方和根法”來計算合成誤差。具體公式如下：

其中，σi為第i項的隨機誤差的標準差，σ總為合成后的總隨機誤差。

以25℃時的正向偏差溫度為例，首先將25℃時的所有參數都選為典型值得到這個溫度下AIN電壓的典型值，再通過公式計算得到APWM占空比的典型值。當考慮NTC阻值偏小帶來的影響時，將其余變量選取典型值參與計算。將所得AIN采樣電壓值通過公式轉換成APWM占空比，再與典型值相減得到正向占空比偏差。將25℃時的占空比典型值減去24℃時的占空比典型值得到每攝氏度對應的占空比變化。將正向占空比偏差除以每攝氏度對應的占空比變化即可得到——25℃時受NTC阻值偏小帶來的正向偏差溫度。同理，電壓源偏小、R1阻值偏大、R2阻值偏小、占空比轉換偏小都會導致溫度正向偏差。依次求解，最終將所有正向偏差溫度根據方和根法求解得到最終的正向偏差溫度。循環上述操作步驟即可得到全溫度范圍的偏差。

圖3.5 誤差計算流程圖

04PCB推薦布局

旁路電容應靠近NSI67x0放置，分別連接在VCC1與GND1、VCC2與GND2以及VEE2與GND2之間。

輸入側的電源的去耦電容建議通過單點接地以避免寄生電感上的電壓尖峰可能會影響內部控制邏輯。

NSI67x0對外部功率晶體管柵極進行充放電的開關電流較大，這會導致電磁干擾(EMI)和振鈴問題。應通過減小環路面積并將NSI67x0靠近功率晶體管放置，來盡量降低此環路的寄生電感。

VEE2引腳和VCC2引腳可以通過大面積鋪銅以實現散熱。如果系統有多層VEE2或VCC2，則使用多個尺寸合適的過孔進行連接。

為確保初級側和次級側之間的隔離性能，芯片下方的空間不應有平面層、走線、焊盤或過孔。

圖4.1 推薦布局

納芯微電子(簡稱納芯微，科創板股票代碼：688052;香港聯交所股票代碼：02676.HK)是高性能高可靠性模擬及混合信號芯片公司。自2013年成立以來，公司聚焦傳感器、信號鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業、信息通訊及消費電子等領域提供豐富的半導體產品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅動”未來，共建綠色、智能、互聯互通的“芯”世界』為使命，致力于為數字世界和現實世界的連接提供芯片級解決方案。