高效驗證控制策略: CHIL-DS02打通馬達驅動晶片與HIL的訊號匹配

技術背景：為何HIL測試需要訊號匹配？

在現代三相馬達驅動架構中，上橋MOSFET或IGBT的驅動通常依賴自舉(Bootstrap)電路來提供閘極電壓。同時，馬達驅動晶片常整合內部自舉電路或閘極驅動器與相電壓(Vabc)回授訊號，用於無感測器控制、反電動勢偵測及系統保護。

然而，在進行 HIL(Hardware-in-the-Loop)測試時，開發者常面臨高壓或者差動訊號無法直接接HIL平台，或HIL輸出電壓不足以觸發驅動IC回授邏輯的困境，這些訊號必須進行電壓轉換匹配，才能安全且準確地測試。

針對此需求開發了一款訊號整合模組，可同時完成高壓訊號降壓及低壓訊號放大，以及HIL系統連接，簡化開發流程並提升量測可靠性。

一、自舉電路

馬達驅動電路(H橋)通常優先選用 NMOS，因為在相同導通損耗下，PMOS 的製造規格要求更高、價格較昂貴。

採NMOS作為上臂開關時，若要使其完全導通，必須提供足夠的VGS電壓。由於上臂汲極已連接電源(如48V)，內部電源無法提供更高的電壓使其導通。此時需透過自舉電路產生一個高於系統輸入的電壓(通常比電源高10~15V)。

量測自舉電壓時絕對不可直接對地量測，否則會導致MOS損壞。這類10~15V的差動訊號，若無轉換電路，無法安全地接HIL系統進行驗證。

為了防止米勒效應導致誤導通，實際應用中IGBT閘極驅動常需使用負電壓以確保徹底關斷。

二、 HIL對接驅動晶片測試瓶頸:電壓匹配的兩大挑戰

在進行HIL模擬時，通常僅提供低電壓的小訊號輸出。然而，對於如DRV8320 這類整合型驅動晶片而言，其設計初衷是直接驅動實體馬達並接收高壓的相電壓回授進行內部運算。

當系統切換至HIL測試環境時，會面臨的問題:

電壓不匹配:HIL 輸出的類比訊號(通常為-10V~10V)遠低於驅動IC所需的實際相電壓回授(如驅動IC電源48V或更高)。
系統判定失效:若缺乏適當的轉換電路，驅動IC將接收不到足夠的電壓回授，導致內部邏輯判定為欠電壓或無法偵測反電動勢，進而造成系統停機或無法正確抓取錯誤資訊。

三、CHIL-DS02模組:專為驅動IC與HIL開發打造的訊號整合橋梁

為了針對上述難題，我們開發了CHIL-DS02訊號整合模組，如(圖一)所示為模組實體圖，它是橋接HIL系統與馬達驅動IC電路的最佳方案:

差動轉單端:將複雜的高壓差動或 Bootstrap 訊號轉換為 HIL 適用的 5V 固定單端訊號，有效解決電壓匹配與地迴路損壞風險。
訊號放大還原:具備類比訊號放大功能，能將 HIL的類比輸出訊號精準放大。最高可支援60V的整合驅動IC回授需求，模擬真實馬達運行環境。
極速響應與高兼容性:差動轉單端功能，支援PWM 響應時間在至100ns以內的訊號，最高30V的輸入訊及負電壓兼容性，適用於Bootstrap、Gate Driver及MCU I/O等多種場景。

(圖一) CHIL-DS02模組