电源域概述

S12ZVM是恩智浦公司推出的汽车级集成产品芯片，它将微处理器、电源、驱动以及各种模拟外设集成在一起的单芯片方案，内部集成了三相电机控制所需的所有元件。所以内部的电源域相对于同等级的MCU要复杂一些，如下图1.1所示为S12ZVM的电源域框图。

下面对实际电路分别进行详细说明。

VSUP-主电源引脚

VSUP是片上稳压器的12V/18V电源电压引脚。这是电压源输入引脚，电压调节器从该电压源生成片上电压源。器件电源电压VSUP为内部稳压器VREG_AUTO提供输入电压，该电压产生电压VDDX，VDD和VDDF。必须在外部对其进行保护，以防止电池反向连接。如下图1.2所示为防反接电路。

选择隔离器件时，有二极管和MOS管两种选择，二极管在导通时会产生压降，电压有一定的损失。而使用MOS管作隔离，在正向导通时，在控制极加合适的电压，可以让MOS管饱和导通，通过电流时几乎不产生压降。故选择N沟道功率MOS管对电源进行隔离。当正确接入电压时，PWR+为12V，PWR-为接地，MOS管UG比US大10V以上，MOS管导通，电流流向PWR-形成回路。当错误接入电压时，PWR+为GND，PWR-接入12V，UG小于US，MOS管不导通，无法形成回路，达到防反接的效果。

数字I/O和模拟电源

如下图1.3所示为数字模拟电源接线图。VDDX域为器件的I/O引脚供电，VDDA为ADC和内部偏置电流发生器供电。VDDA和VDDX引脚必须在板级连接，而不能直接在内部连接。VDDX和VDDA之间存在ESD保护二极管，因此强制使用共同的工作范围。VDD域提供内部设备逻辑。VDDF域提供内部闪存NVM电路的各个部分电压。因为稳定性VDDX和VSSX之间需要片外去耦电容。该电源域由低压复位电路监控。

VDDA和VSSA引脚用于为稳压器的模拟部分供电。这些信号提供内部精密基准电路。在VDDA和VSSA之间需要一个片外去耦电容器，它可以改善该电源的质量。微控制器的所有接地引脚（VSSX1，VSSX2，VSS1，VSS2，VSSA和VSSB，VSSC）必须连接在一起。

GDU接口

电机控制的目的是控制电机轴的速度，旋转方向或位置。这要求以某种方式调制施加到电动机上的电压。这就是使用功率MOSFET的地方。通过以受控方式接通和断开电源开关元件，可以改变施加到电动机上的电压，以便改变电动机轴的速度或位置。

S12ZVM包含一个GDU模块，该模块是为三相电机控制应用设计的场效应晶体管（FET）预驱动器。结合使用自举和电荷泵技术为驱动H桥上部MOSFET的电路供电。自举技术提供了开启功率器件所需的高瞬时电流，而电荷泵提供了足够的电流来维持高端预驱动器部分的偏置电压。如下图2.1所示为GDU的框图。

FET预驱动器接口

预驱动器接口直接连接到外部低端和高端功率MOSFET。驱动器的主要功能是将MOSFET从截止状态切换到导通状态，反之亦然，预驱动器将控制信号放大到所需的电平，以驱动功率MOSFET。为了保证可靠的操作，低侧驱动器由VLS稳压器提供，而高侧驱动器则由自举电路直接提供。根据GDU版本的不同，可以传送到每个外部功率MOSFET的栅极电荷分别为50nC和75nC。如下图2.2所示为FET的连接图，下面将详细介绍。

如上图所示，HD连接FET预驱动器高端漏极。在GDU内监视GDU的高端漏极电压输入引脚HD，并将其映射到中断。并用ADC进行监控。HD引脚应尽可能靠近高端MOSFET的漏极连接。VSUP由内部专用的低压降稳压器生成VLS_OUT电压。VLS_OUT电压用于为低端驱动器供电，并且可以直接连接至每个低端驱动器的VLS电源输入。VLS为三个低侧FET预驱动器的电压电源引脚。VLS_OUT引脚上的输出电压通常为11V。建议将陶瓷电容放置在尽可能靠近每个VLS引脚的位置。

HG为高端功率FET的栅极引脚。驱动器提供高电流且低阻抗，以导通和关断高端功率FET。HS应与高端功率FET的源极连接和低端功率FET的漏极连接。自举电容器的低压端也连接到该引脚。LG为低端栅极引脚，这些引脚是低端功率FET的栅极驱动器。驱动器提供高电流且低阻抗，以打开和关闭低端功率FET。LD为低端漏极引脚，应与低端功率FET的漏极连接。LS为低侧源极引脚，应与低侧功率FET的低侧源极连接。该引脚是电源接地引脚，用于从低侧功率FET返回栅极电流。

自举电路

结合使用自举和电荷泵技术为驱动H桥高端MOSFET的电路供电。自举技术提供了开启功率器件所需的高瞬时电流，而电荷泵提供了足够的电流来维持上驱动器部分和MOSFET上的偏置电压。由于上部偏置电源引脚上的电压与上部电源开关的源极端子“浮动”在一起。高端预驱动器必须为外部FET的栅极电容提供足够的栅极-源极电压和足够的电荷。自举电路用于提供足够的电荷。自举电路使用一组外部二极管和电容器来提供大量电流，以快速导通高端MOSFET，每个器件的栅极必须比电源电压高大约8V电压。故使用内部电荷泵提供栅极驱动电压。

电荷泵

电荷泵电压用于为高端FET预驱动器提供足够的电流，以维持栅源电压。（为了产生该电压，外部电荷泵由引脚CP驱动，在0V和11V之间切换产生方波。然后将抽运的电压施加到引脚VCP。VCP引脚内部连接VBS引脚，为高端FET预驱动器电源引脚VBS提供高电荷输入。如下图2.3左图所示为电荷泵电路，电路可等效为右图。为了方便分析对器件进行了重新编号，下面分析电荷泵的工作原理。

如下图2.4（a）所示，当CP引脚输出0V时，VIN通过D1和D2对C2进行充电，C2两端电压为上正下负；如下图2.4（b）所示，当CP引脚输出11V时，CP电压和VIN电压叠加，通过D2对C2进行充电，如果忽略二极管电压，则C2两端电压等于CP电压VIN电压之和。

电荷泵电容器值取决于为静态HS开关驱动器选择的电荷泵频率，电压纹波和GDU电流。电荷泵二极管必须尽快使用较低的正向压降和开关时间，以实现快速恢复。

升压转换器

S12ZVM中的GDU模块集成了控制器以实现升压转换器。（有些电机在启动的瞬间因为电流过大，会将板子的电压拉低，导致栅源电压不够，这时升压电路打开可以维持栅源电压，其它时候升压电路不起作用）该模块实现了一个开关，该开关由总线的可选频率控制。将VBAT作为输入电压连接到升压转换器，在这种情况下，需要一个附加二极管作为VBAT反向保护。升压电路使能控制位为GDUE_GDOE。如下图2.5所示为升压电路。

由上图所示，升压转换器内部含有用于限制线圈电流的电路，使用GDUBCL寄存器中的GBCL[3：0]位来调整此电流限制。BST引脚内置一个驱动晶体管T1，由总线时钟分频控制。当晶体管接地时，功率二极管反向偏置，流过线圈的电流增加，能量存储在电感线圈中。当晶体管关闭时，电流流过二极管并为电容器充电。线圈电流再次降低，线圈上的电压反转，从而导致更高的输出电压VSUP（即上图的VUSP）。

VSUP引脚上的升压转换器的输出电压经过分压，然后与参考电压Vref进行比较。只要分压电压VSUP低于Vref，就设置GBOE（GDU升压使能），使能升压转换器时钟进行升压。

电流检测放大器

电流检测放大器集成在S12ZVM微控制器中，用于低端电流测量。该接口由两个片上运算放大器组成，每个都链接到一个独立的ADC通道，用于同时测量两个不同的电流。电流检测放大器通常连接为差分放大器。它检测流过外部功率FET的电流作为电流检测电阻两端的电压。如下图2.6所示为电流检测电路图。

由上图可知，U2把VDDA分压一半提供给电流检测运放进行偏置。电流检测运放的放大倍数为：

$A=\frac{R_{29}}{R_{31}+R_{33}}$

当采样电阻为1mΩ时，采集电流最大为：

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