汽車(chē)級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片 DRV81602-Q1 開(kāi)發(fā)指南

在電子工程師的日常工作中，汽車(chē)電子領(lǐng)域的硬件設(shè)計(jì)一直是個(gè)充滿挑戰(zhàn)與機(jī)遇的舞臺(tái)。今天，咱們就來(lái)深入聊聊德州儀器（TI）推出的 8 通道、40V、700mΩ、具備全面保護(hù)功能且可配置的低側(cè)和高側(cè)驅(qū)動(dòng)器——DRV81602-Q1。

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核心特性

1. 汽車(chē)級(jí)認(rèn)證與安全設(shè)計(jì)

這顆芯片通過(guò)了 AEC - Q100 汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證，溫度等級(jí)為 1，可在 - 40°C 至 + 125°C 的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作。而且它具備功能安全能力，還提供相關(guān)文檔來(lái)輔助功能安全設(shè)計(jì)，這對(duì)于對(duì)安全性要求極高的汽車(chē)電子應(yīng)用來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一顆“定心丸”。

2. 靈活的電源設(shè)計(jì)

- **模擬電源**：支持 3V 至 40V 的模擬電源電壓，即使在低至 3V 的啟動(dòng)電壓下也能正常工作，完全符合 LV124 汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)。
- **數(shù)字電源**：數(shù)字電源電壓范圍為 3V 至 5.5V，與 3.3V 和 5V 的微控制器都能完美兼容。

3. 強(qiáng)大的保護(hù)與診斷功能

- **保護(hù)特性**：涵蓋了多種保護(hù)功能，如反接電池保護(hù)、對(duì)地和電池短路保護(hù)、欠壓穩(wěn)定工作、過(guò)流鎖斷、過(guò)溫警告、熱關(guān)斷鎖斷、過(guò)壓保護(hù)以及電池和接地丟失保護(hù)等。
- **診斷特性**：可通過(guò) SPI 寄存器提供診斷信息，包括導(dǎo)通狀態(tài)下的過(guò)載檢測(cè)、導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下的開(kāi)路負(fù)載檢測(cè)以及輸入和輸出狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4. 獨(dú)特的功能設(shè)計(jì)

- **雙并行輸入與映射功能**：擁有兩個(gè)帶有映射功能的并行輸入，可在跛行回家模式下實(shí)現(xiàn)故障安全激活。
- **PWM 與 BIM 模式**：集成兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)部 PWM 發(fā)生器，可用于驅(qū)動(dòng) LED；還具備燈泡浪涌模式（BIM），適用于驅(qū)動(dòng) 2W/5W 燈泡和其他電容性負(fù)載。
- **低電流睡眠模式**：當(dāng) (T_J ≤85^{circ}C) 時(shí)，睡眠模式電流小于 3μA，有效降低功耗。
- **SPI 通信**：采用 16 位 SPI 進(jìn)行控制和診斷，支持菊花鏈連接，還能與 8 位 SPI 設(shè)備兼容。

應(yīng)用領(lǐng)域

DRV81602 - Q1 的應(yīng)用范圍非常廣泛，特別適用于汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域。例如，在汽車(chē)的區(qū)域控制模塊（ZCM）、車(chē)身控制模塊（BCM）、汽車(chē)照明系統(tǒng)、汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制以及車(chē)輛控制單元（VCU）等應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮重要作用，同時(shí)也可用于可編程邏輯控制器（PLC）。

技術(shù)參數(shù)分析

1. 電氣特性

- 絕對(duì)最大額定值：涵蓋了各種電壓、電流和溫度的極限值。比如模擬電源電壓 (V_M) 范圍為 - 0.3V 至 42V，數(shù)字電源電壓 (V_{DD}) 范圍為 - 0.3V 至 5.75V 等。操作超出這些絕對(duì)最大額定值可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一定要嚴(yán)格遵守。
- ESD 額定值：給出了不同引腳的靜電放電（ESD）額定值，如 OUT 引腳相對(duì)于 VM 或 GND 的人體模型（HBM）為 ± 4000V，其他引腳為 ± 2000V 等，這有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)中考慮 ESD 防護(hù)措施。
- 推薦工作條件：包括正常工作的電源電壓范圍、邏輯電源電壓、控制和 SPI 輸入電壓以及環(huán)境溫度等。例如，正常工作時(shí) (V_{M_NOR}) 為 4V 至 40V， (V_{DD}) 為 3V 至 5.5V。

2. 典型特性

- 文檔中給出了多個(gè)典型特性圖表，如不同溫度和電源電壓下的空閑模式和活動(dòng)模式電源電流、開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻、漏源鉗位電壓、過(guò)流保護(hù)閾值等。這些圖表能幫助我們直觀地了解芯片在不同條件下的性能表現(xiàn)，為設(shè)計(jì)提供重要參考。

詳細(xì)設(shè)計(jì)解析

1. 引腳配置與功能

芯片采用 24 引腳 HTSSOP（PWP）封裝，每個(gè)引腳都有其特定的功能。比如，VM 引腳為功率級(jí)和保護(hù)電路提供模擬電源電壓，VDD 引腳為 SPI 提供數(shù)字電源電壓，nSCS 引腳為串行芯片選擇等。在進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，我們要根據(jù)引腳功能合理布局，確保信號(hào)傳輸穩(wěn)定。

2. 工作模式

芯片具有睡眠模式、空閑模式、活動(dòng)模式和跛行回家模式四種工作模式。模式的轉(zhuǎn)換由 nSLEEP 引腳邏輯電平、INx 引腳邏輯電平、ENx 位狀態(tài)、ACT 位狀態(tài)以及 EN_PWM0 和 EN_PWM1 位狀態(tài)等因素決定。不同的工作模式下，芯片的電流消耗、通道控制和 SPI 通信等功能會(huì)有所不同，我們需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景合理選擇工作模式。

3. 電源管理

芯片由 (VM)（模擬電源電壓）和 (V{DD})（數(shù)字電源電壓）供電。當(dāng) (VM) 電壓下降到 (V{DD}) 電壓以下時(shí)，VDD 引腳的電流消耗會(huì)增加。同時(shí)， (VM) 和 (V{DD}) 都有欠壓檢測(cè)電路，欠壓會(huì)影響電源級(jí)的激活和 SPI 通信。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，要確保電源的穩(wěn)定性，避免欠壓情況對(duì)芯片造成不良影響。

4. 功率級(jí)設(shè)計(jì)

DRV81602 - Q1 采用 N 溝道 MOSFET 構(gòu)建功率級(jí)，有 6 個(gè)可自動(dòng)配置的通道，既可以作為低側(cè)開(kāi)關(guān)，也可以作為高側(cè)開(kāi)關(guān)。在配置時(shí)，要根據(jù)負(fù)載的連接方式自動(dòng)調(diào)整診斷和保護(hù)功能。

• 開(kāi)關(guān)電阻負(fù)載：默認(rèn)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速率為 1.3V/μs，可通過(guò)配置寄存器 2 中的 SR 位將其提高到 2.5V/μs。
• 電感輸出鉗位：在關(guān)閉電感負(fù)載時(shí)，功率開(kāi)關(guān)兩端的電壓會(huì)上升到 (V{DS_CL}) 電位，輸出引腳電壓不能低于 (V{OUT_S_CL})，通過(guò)電壓鉗位來(lái)防止設(shè)備損壞。
• 最大負(fù)載電感：電感負(fù)載退磁時(shí)，磁能會(huì)在芯片中耗散，最大能量轉(zhuǎn)換為熱量受芯片熱設(shè)計(jì)限制。
• 反向電流行為：在反向電流情況下，受影響的通道可能會(huì)保持導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致 ERRx 位設(shè)置，并且會(huì)對(duì)部分參數(shù)產(chǎn)生影響，但不影響其他通道的基本功能。不過(guò)要注意，反向電流時(shí)沒(méi)有溫度保護(hù)和過(guò)載保護(hù)機(jī)制，可能會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高。
• 并聯(lián)通道開(kāi)關(guān)：在短路情況下，并聯(lián)通道可能會(huì)異步關(guān)斷，可通過(guò) SPI 寄存器配置相鄰?fù)ǖ赖牟⑿胁僮?，使最快響?yīng)的通道在過(guò)載或過(guò)溫時(shí)同時(shí)關(guān)閉另一個(gè)通道。
• 燈泡浪涌模式（BIM）：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后的浪涌電流可能會(huì)使通道過(guò)載鎖斷。設(shè)置 BIMx 位為 1b 后，通道在達(dá)到過(guò)載電流或過(guò)溫閾值鎖斷后，會(huì)在 (t_{INRUSH}) 時(shí)間后自動(dòng)重啟，允許負(fù)載度過(guò)浪涌階段。
• 集成 PWM 發(fā)生器：芯片有兩個(gè)獨(dú)立的集成 PWM 發(fā)生器，可分配給一個(gè)或多個(gè)通道，并可設(shè)置不同的占空比和頻率。通過(guò) FPWM 位可以調(diào)整內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的基本頻率 (f_{INT})，每個(gè) PWM 發(fā)生器還可設(shè)置占空比、頻率、通道輸出控制和映射寄存器。

5. 保護(hù)與診斷功能

- **欠壓保護(hù)**：當(dāng) (V_M) 電壓在 (V_{M_UVLO}) 和 (V_{M_OP}) 之間時(shí)，欠壓機(jī)制會(huì)觸發(fā)，邏輯會(huì)設(shè)置 UVRVM 位。當(dāng) (V_M) 高于 (V_{M_OP}) 時(shí)，在第一次標(biāo)準(zhǔn)診斷讀出后 UVRVM 位會(huì)清零。
- **過(guò)流保護(hù)**：有兩個(gè)過(guò)流閾值 (I_{L_OCP0}) 和 (I_{L_OCP1})，根據(jù) OCP 位的值而定。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)閾值時(shí)，經(jīng)過(guò) (t_{OFF_OCP}) 時(shí)間后，過(guò)載通道會(huì)關(guān)斷，同時(shí) ERRx 位會(huì)設(shè)置。通過(guò)設(shè)置 CLRx 位為 1b 可以清除保護(hù)鎖存，重新開(kāi)啟通道。
- **過(guò)溫保護(hù)**：每個(gè)通道都集成了溫度傳感器，當(dāng)通道過(guò)熱時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，ERRx 位會(huì)設(shè)置。同樣，通過(guò)設(shè)置 CLRx 位為 1b 可以清除保護(hù)鎖存，重新開(kāi)啟通道。
- **過(guò)溫警告**：當(dāng)芯片溫度超過(guò)過(guò)溫警告閾值（TOTW）時(shí)，配置寄存器 2 中的 OTW 位會(huì)設(shè)置，芯片繼續(xù)正常工作。當(dāng)溫度低于滯后點(diǎn)（THYS_OTW）時(shí)，OTW 位會(huì)自動(dòng)清零。
- **跛行回家模式下的保護(hù)**：在跛行回家模式下，通道 2 和 3 可通過(guò)輸入引腳開(kāi)啟。在過(guò)流、短路或過(guò)溫情況下，通道會(huì)關(guān)斷。如果輸入引腳保持高電平，通道會(huì)按照一定的時(shí)間間隔重啟。
- **反極性保護(hù)**：在反極性（反向電池）情況下，低側(cè)通道和用作低側(cè)開(kāi)關(guān)的可自動(dòng)配置通道的體二極管會(huì)產(chǎn)生功率損耗，用作高側(cè)開(kāi)關(guān)的可自動(dòng)配置通道會(huì)導(dǎo)通以降低功率損耗。但要注意，此時(shí)沒(méi)有溫度保護(hù)和電流限制機(jī)制。
- **過(guò)壓保護(hù)**：在 (V_{M_SC}) 和 (V_{M_LD}) 之間的電源電壓下，輸出 MOSFET 仍可正常工作。除了電感負(fù)載的輸出鉗位外，還有一個(gè)過(guò)壓保護(hù)鉗位機(jī)制，用于監(jiān)測(cè) VM 和 GND 引腳之間的電壓。
- **輸出狀態(tài)監(jiān)測(cè)**：芯片會(huì)比較每個(gè)通道的 (V_{DS}) 與 (V_{OSM})（低側(cè)開(kāi)關(guān)配置）或 (V_{OUT_S}) 與 (V_{OSM})（高側(cè)開(kāi)關(guān)配置），并相應(yīng)設(shè)置 OSMx 位。可通過(guò)編程 IOLx 位啟用與功率開(kāi)關(guān)并聯(lián)的診斷電流 (I_{OL})，用于關(guān)斷狀態(tài)下的開(kāi)路負(fù)載檢測(cè)。
- **導(dǎo)通狀態(tài)下的開(kāi)路負(fù)載檢測(cè)**：每個(gè)高側(cè)開(kāi)關(guān)和用作高側(cè)開(kāi)關(guān)的可自動(dòng)配置通道都可以檢測(cè)導(dǎo)通狀態(tài)下的開(kāi)路負(fù)載，通過(guò)編程 EN_OLON 位進(jìn)行控制。有直接通道診斷和診斷循環(huán)兩種模式，可根據(jù)不同的設(shè)置更新 OLON 位。

6. SPI 通信

- **SPI 信號(hào)描述**：SPI 是一個(gè)全雙工同步串行從接口，使用 SDO、SDI、SCLK 和 nSCS 四條線。nSCS 引腳用于選擇設(shè)備，SCLK 引腳為內(nèi)部移位寄存器提供時(shí)鐘，SDI 引腳用于輸入數(shù)據(jù)，SDO 引腳用于輸出數(shù)據(jù)。
- **菊花鏈功能**：支持菊花鏈連接，多個(gè)設(shè)備可以通過(guò)相同的 nSCS 信號(hào)激活，SDI 線連接前一個(gè)設(shè)備的 SDO 線，形成一個(gè)鏈。
- **SPI 協(xié)議**：SPI 協(xié)議在微控制器觸發(fā)下，對(duì)命令幀的響應(yīng)會(huì)在下一次傳輸中給出。在某些特殊情況下，如傳輸錯(cuò)誤、電源復(fù)位或命令語(yǔ)法錯(cuò)誤時(shí)，響應(yīng)幀會(huì)有特殊處理。
- **SPI 寄存器**：包括標(biāo)準(zhǔn)診斷寄存器、輸出控制寄存器、燈泡浪涌模式寄存器等多個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器都有其特定的功能和默認(rèn)值。通過(guò)對(duì)這些寄存器的讀寫(xiě)操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)建議

1. 外部組件建議

為了確保芯片的正常工作和穩(wěn)定性，建議使用以下外部組件：

• 在 IN0、IN1 和 nSLEEP 引腳串聯(lián) 4.7kΩ 電阻，用于保護(hù)微控制器在過(guò)電壓和反極性情況下不受損壞，同時(shí)在接地丟失時(shí)保持輸出通道關(guān)閉。
• 在 nSCS、SCLK、SDI 和 SDO 引腳串聯(lián) 470Ω 電阻，同樣用于保護(hù)微控制器。
• 在 VDD 引腳串聯(lián) 100Ω 電阻和 100nF 旁路電容，用于邏輯電源電壓濾波。
• 在 VM 引腳并聯(lián) 68nF 旁路電容和 TVS3300 二極管，分別用于電池電壓濾波和過(guò)電壓保護(hù)。
• 可在每個(gè) OUT 引腳并聯(lián) 10nF 電容，用于保護(hù)芯片免受 ESD 和 BCI 影響。

2. 布局指南

- 在布局時(shí)，要將 VM 引腳通過(guò)低 ESR 陶瓷旁路電容（推薦值 68nF）連接到 GND，電容要盡可能靠近 VM 引腳，并使用厚走線或接地平面連接到設(shè)備的 GND 引腳。
- VDD 引腳也需要通過(guò)低 ESR 陶瓷電容（推薦值 100nF，額定電壓 6.3V）接地，電容要靠近引腳放置。
- 要避免電源引腳和去耦電容之間產(chǎn)生電感，在芯片的 IN0、IN1、nSLEEP、nSCS、SCLK、SDI、SDO 和 VDD 引腳與微控制器的相應(yīng)引腳之間串聯(lián)電阻。
- 芯片的散熱焊盤(pán)必須連接到系統(tǒng)接地，建議使用大的、連續(xù)的單一接地平面，可將其設(shè)置在 PCB 底層。從接地引腳到接地平面的走線要盡可能短而寬，并使用多個(gè)過(guò)孔以降低阻抗。同時(shí)，要盡量清理芯片周?chē)目臻g，特別是 PCB 底層，以提高散熱效果。此外，單個(gè)或多個(gè)內(nèi)部接地平面連接到散熱焊盤(pán)也有助于散熱和降低熱阻。

總結(jié)

DRV81602 - Q1 是一款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定且應(yīng)用靈活的汽車(chē)級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片。它不僅具備豐富的保護(hù)和診斷功能，還能適應(yīng)多種工作模式和應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇工作模式、配置引腳和寄存器，同時(shí)注重外部組件的選擇和 PCB 布局，以確保芯片能夠發(fā)揮出最佳性能。

各位電子工程師們，你們?cè)谑褂妙?lèi)似芯片時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？又有哪些獨(dú)特的解決經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流！