PMIC 全桥/半桥驱动器检测：原理、要点与失效分析

在电源管理集成电路中，全桥和半桥驱动电路是实现高效功率转换的核心模块。它们广泛用于电机控制、DC-DC转换器、无线充电和逆变器等场景。准确检测其性能是保障系统可靠性的关键环节。

一、 核心概念与结构差异

  1. 半桥驱动器：

    • 结构： 驱动两个功率开关管（通常为MOSFET或IGBT），连接成半桥拓扑（高边 + 低边开关管）。输出位于两个开关管的中点。
    • 关键功能： 生成两路互补的驱动信号（通常带可调死区时间），分别控制高边管和低边管。
    • 典型应用： 同步降压/升压转换器、H桥的一半、简单的电机相位驱动。

  2. 全桥驱动器：

    • 结构： 包含两个半桥驱动器，驱动四个功率开关管（两个高边 + 两个低边），构成完整的H桥拓扑。输出位于两个半桥的中点之间。
    • 关键功能： 生成四路驱动信号，控制两组互补的高/低边开关对。通常支持多种工作模式（如正向、反向、刹车/滑行）。
    • 典型应用： 直流/无刷电机驱动、H桥DC-AC逆变器、双向DC-DC转换器、无线充电发射端。
 

二、 核心检测项目与方法

检测需涵盖电气特性、时序逻辑、保护功能等关键维度。

  1. 输入逻辑电平与阈值检测：

    • 目的： 验证驱动器能否正确识别来自控制器（如MCU、PWM IC）的控制信号。
    • 方法： 使用信号发生器或逻辑分析仪，向输入引脚（如INH, INL, INx, EN）施加不同电平电压，测量输出状态变化点（VIL, VIH, VOH, VOL）。确认符合规格书要求。

  2. 输出电压电平与驱动能力检测：

    • 目的： 确保驱动器能为功率管栅极提供足够强度和稳定性的驱动电压。
    • 方法：
      • 空载/轻载： 用示波器或高阻电压表直接测量高边输出（HO/HSx）和低边输出（LO/LSx）引脚的开路输出电压（相对于COM或VSx/VBx）。验证高端自举电压（VBx - VSx）是否达到预期（通常接近VCC或自举电容电压）。
      • 带载能力： 在输出端接不同阻值的电阻负载（模拟功率管栅极等效电容），测量驱动电压幅度是否足够（通常需接近VCC/VBx）且在负载变化时保持稳定。测量上升/下降时间评估驱动强度（dV/dt能力）。

  3. 关键时序检测：

    • 目的： 验证驱动器内部逻辑和延迟是否符合设计，避免直通短路等致命故障。
    • 方法： 使用双通道或多通道示波器，同步测量输入信号跳变沿与对应输出信号跳变沿：
      • 传播延迟（tPHL/tPLH）： 输入变化到对应输出开始变化的时间。
      • 匹配延迟： 高低边驱动信号传播延迟的对称性（重要）。
      • 死区时间（Dead Time）：
        • 测量： 捕获同一桥臂的HO和LO信号。死区时间是HO下降沿到LO上升沿的时间间隔，以及LO下降沿到HO上升沿的时间间隔。
        • 重要性： 确保同一桥臂高低管不会同时导通（直通）。需验证死区时间是否足够（防止直通）、是否可调（如支持）、是否稳定（不受温度和电压影响）。
      • 高端刷新时间（Bootstrap Refresh）： 对于自举供电的高边驱动，在低边导通期间需要足够时间为自举电容充电。测量低边导通的最小脉宽是否满足要求。

  4. 保护功能检测：

    • 目的： 验证驱动器在异常条件下能否有效保护自身和功率器件。
    • 方法： 模拟异常工况，观察驱动器和相关控制信号状态：
      • 欠压锁定： 逐步降低VCC或VBx电压，观察输出是否在指定阈值以下被强制关闭（拉低或高阻）。恢复供电后是否能自动重启或在EN控制下重启。
      • 过温保护： 加热驱动器IC（需谨慎控制避免永久损坏），触发内部TSD，观察输出是否关闭。冷却后是否恢复。
      • 过流/短路保护：
        • 通常通过检测功率管压降（DESAT检测）或外部电流检测电阻实现。
        • 人为制造过流（如短接负载），示波器监测驱动器输出是否在设定时间内关闭（故障传播时间），同时观察故障标志信号（如FAULT）是否有效拉低/拉高。
        • 验证故障清除机制（如复位信号、自动重试）。

  5. dv/dt与噪声抑制能力评估：

    • 目的： 驱动器在功率节点（SW/HSx）高速开关引起的强干扰下能否稳定工作。
    • 方法：
      • 在SW/HSx节点注入高频噪声或快速dV/dt脉冲信号（需注意安全）。
      • 监测输入逻辑状态、输出驱动电平、欠压锁定信号是否受到干扰导致误动作。
      • 验证寄生导通（Cross-Conduction）抑制能力。

  6. 功耗与效率评估（可选但重要）：

    • 目的： 评估驱动器自身的功耗（静态电流、开关损耗）对系统效率的影响。
    • 方法： 测量驱动器在不同开关频率、负载电流下的输入电流（VCC电流），计算功耗。评估其开关损耗（与Qg和开关频率相关）。
 

三、 应用场景下的特殊考量

  • 电机驱动： 关注驱动时序精度（影响换相）、死区时间优化（影响效率和谐波）、抗反电动势能力、以及堵转/反转等复杂工况下的保护可靠性。
  • DC-DC转换器： 关注驱动信号对称性（影响输出电压纹波）、轻载效率（驱动损耗占比增大）、多相并联时的同步精度。
  • 无线充电： 高频驱动下的时序精度、死区控制、EMI抑制能力是检测重点。
  • 可靠性测试： 长时间高温高湿、温度循环、开关次数寿命测试等。
 

四、 常见失效模式与检测关联

  • 驱动能力不足（输出电平低、上升/下降慢）： 功率管导通损耗剧增、过热损坏。检测项目2（输出电压/驱动能力）。
  • 死区时间不足或失效： 桥臂直通短路炸管。检测项目3（死区时间）。
  • 保护功能失效（UVLO, OCP, OTP）： 异常工况下无法及时关断，导致级联故障。检测项目4（保护功能）。
  • 逻辑误动作（输入抗扰差）： 控制系统干扰导致误开关。检测项目1（输入逻辑）、5（dv/dt噪声抑制）。
  • 自举电路失效（高边驱动失效）： 高边管无法导通或驱动不足。检测项目2（高边驱动电压）、3（刷新时间）。
  • 过热损坏： 内部功耗过大或散热不良。检测项目6（功耗）、4（OTP）。
 

五、 总结

对PMIC中的全桥和半桥驱动器进行系统化检测，是确保电力电子系统性能、效率和可靠性的基石。工程师需结合驱动器规格书和应用需求，设计全面的测试方案，重点覆盖驱动能力、关键时序（特别是死区时间）、保护功能逻辑及抗干扰能力。通过精密的仪器测量和严格的工况模拟，可以有效识别潜在的设计缺陷、元器件质量问题或应用风险。随着功率密度和开关频率的持续提升，对驱动器检测的深度和精度要求也将日益严格，先进的测试方法和工具（如集成电流探头的高带宽示波器）将发挥更大作用。

通过深入理解驱动原理、建立完善的测试策略并严格执行验证流程，能显著降低系统失效风险，为各类电力转换应用提供坚实的底层支撑。