探索 DRV8351-SEP：40V 三相 BLDC 柵極驅(qū)動器的卓越性能

在電子工程師的日常工作中，為三相無刷直流（BLDC）電機(jī)控制尋找合適的柵極驅(qū)動器是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。今天，我們就來深入了解一款性能卓越的產(chǎn)品——德州儀器（TI）的 DRV8351-SEP 40V 三相 BLDC 柵極驅(qū)動器。

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一、產(chǎn)品概述

1.1 關(guān)鍵特性總結(jié)

DRV8351-SEP 是一款專為三相電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動器，具有以下顯著特點(diǎn)：

• 電壓與電流驅(qū)動能力：能夠驅(qū)動 N 溝道 MOSFET（NMOS），柵極驅(qū)動器電源（GVDD）范圍為 5 - 15V，MOSFET 電源（SHx）最高支持 40V。具備高達(dá) 750mA 的源極電流和 1.5A 的灌電流能力，總平均輸出電流為 30mA。
• 輻射性能優(yōu)異：抗單粒子鎖定（SEL）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子翻轉(zhuǎn)（SET）能力高達(dá) (LET = 43 MeV - cm^2 / mg)，TID 特性高達(dá) 30 krad(Si)，且每個晶圓批次都能保證 TID 性能。不過在單粒子效應(yīng)（SEE）和單粒子燒毀（SEB）表征過程中會觀察到交叉導(dǎo)通事件，具體可參考 SEE 報告。
• 集成與設(shè)計(jì)優(yōu)勢：采用空間增強(qiáng)型塑料（space EP），具有受控基線、單一組裝/測試站點(diǎn)和單一制造站點(diǎn)，產(chǎn)品生命周期長且可追溯。集成了自舉二極管，支持反相和非反相 INLx 輸入，采用自舉柵極驅(qū)動架構(gòu)。
• 低泄漏與高耐壓：SHx 引腳泄漏電流低（< 55μA），絕對最大 BSTx 電壓高達(dá) 57.5V，支持 SHx 上高達(dá) -22V 的負(fù)瞬變。
• 保護(hù)與性能優(yōu)化：具有固定的 200ns 死區(qū)時間插入，支持 3.3V 和 5V 邏輯輸入（絕對最大 20V），典型傳播延遲匹配為 4ns，采用緊湊的 TSSOP 封裝，集成了 BST 欠壓鎖定（BSTUV）和 GVDD 欠壓（GVDDUV）等保護(hù)特性。

1.2 產(chǎn)品外觀與封裝信息

DRV8351-SEP 有兩種封裝型號 DRV8351DMP WTSEP 和 DRV8351DIMP WTSEP，均采用 TSSOP (20) 封裝，封裝尺寸為 6.50mm × 6.40mm，主體尺寸為 6.40mm × 4.40mm。

二、產(chǎn)品詳細(xì)特性分析

2.1 三相 BLDC 柵極驅(qū)動器

2.1.1 驅(qū)動原理

DRV8351-SEP 集成了三個半橋柵極驅(qū)動器，每個驅(qū)動器都能驅(qū)動高側(cè)和低側(cè) N 溝道功率 MOSFET。GVDD 為低側(cè) MOSFET 提供柵極偏置電壓，高側(cè)電壓則通過自舉電容和 GVDD 電源產(chǎn)生。這些半橋柵極驅(qū)動器既可以組合使用來驅(qū)動三相電機(jī)，也可以單獨(dú)驅(qū)動其他類型的負(fù)載。

2.1.2 柵極驅(qū)動器時序

• 傳播延遲：傳播延遲時間 (t_{pd}) 是指從輸入邏輯邊沿到檢測到輸出變化的時間，它由輸入去毛刺延遲和模擬柵極驅(qū)動器延遲兩部分組成。輸入去毛刺器可防止輸入引腳上的高頻噪聲影響柵極驅(qū)動器的輸出狀態(tài)，而模擬柵極驅(qū)動器的小延遲則會對器件的整體傳播延遲產(chǎn)生影響。
• 死區(qū)時間與交叉導(dǎo)通預(yù)防：在正常工作時，為防止高側(cè)和低側(cè)同時導(dǎo)通導(dǎo)致直通現(xiàn)象，DRV8351-SEP 會在高側(cè)和低側(cè)輸入同時為邏輯高時關(guān)閉高側(cè)和低側(cè)輸出。在 DRV8351D - SEP 中，插入了典型值為 200ns 的固定死區(qū)時間，以避免高側(cè)和低側(cè)柵極輸出同時開啟。不過，在單粒子效應(yīng)（SEE）和單粒子燒毀（SEB）表征過程中，該產(chǎn)品出現(xiàn)了交叉導(dǎo)通現(xiàn)象，具體詳情需參考 SEE 報告。

2.1.3 輸入模式選擇

DRV8351-SEP 的 INLx 輸入具有靈活性，有反相和非反相輸入兩種不同的器件選項(xiàng)可供選擇。

2.2 引腳結(jié)構(gòu)與功能

不同的輸入引腳結(jié)構(gòu)會影響柵極驅(qū)動器的輸出狀態(tài)。INHx 和非反相 INLx 具有無源下拉電阻，當(dāng)輸入浮空時，柵極驅(qū)動器輸出被拉低；而反相 INLx 具有無源上拉電阻，當(dāng)輸入浮空時，低側(cè)柵極驅(qū)動器輸出被拉低。

2.3 柵極驅(qū)動器保護(hù)電路

2.3.1 BSTx 欠壓鎖定（BSTUV）

DRV8351-SEP 為每個相位都配備了獨(dú)立的電壓比較器，用于檢測欠壓情況。當(dāng) BSTx 引腳電壓低于 (V_{BSTUV}) 閾值時，該相位的高側(cè)外部 MOSFET 會通過將 GHx 引腳置為高阻態(tài)（Hi - Z）來禁用。當(dāng) BSTUV 條件消除，并且在檢測到 BSTUV 條件的同一相位的 INHx 輸入上檢測到從低到高的 PWM 邊沿時，正常操作將恢復(fù)。這一保護(hù)機(jī)制確保了在 BSTx 引腳電壓較低時，高側(cè) MOSFET 不會被驅(qū)動。

2.3.2 GVDD 欠壓鎖定（GVDDUV）

當(dāng) GVDD 引腳電壓低于 (V_{GVDDUV}) 閾值電壓時，所有外部 MOSFET 都會被禁用。當(dāng) GVDDUV 條件消除后，正常操作將重新開始。這一保護(hù)措施保證了在 GVDD 輸入電壓較低時，外部 MOSFET 不會被驅(qū)動。

三、產(chǎn)品應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 應(yīng)用領(lǐng)域

DRV8351-SEP 主要應(yīng)用于三相無刷直流電機(jī)控制，適用于國防、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域，如推進(jìn)器萬向節(jié)機(jī)構(gòu)、天線指向機(jī)構(gòu)、反作用輪和推進(jìn)劑控制閥等。

3.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

以一個具體設(shè)計(jì)為例，選擇 MOSFET 型號為 CSD19532Q5B，柵極電源電壓 (V{GVDD}) 為 12V，柵極電荷 (Q{G}) 為 48nC。

3.2.2 自舉電容和 GVDD 電容選擇

自舉電容的大小需要保證自舉電壓在正常工作時高于欠壓鎖定閾值。通過公式 (Delta V{BSTX} = V{GVDD} - V{BOOTD} - V{BSTUV}) 可計(jì)算出自舉電容上允許的最大電壓降。在本示例中，允許的電壓降為 6.65V。TI 建議盡量減小自舉電容和 GVDD 電容上的紋波電壓，許多商業(yè)、工業(yè)和汽車應(yīng)用的紋波值在 0.5V 至 1V 之間。

每個開關(guān)周期所需的總電荷可以通過公式 (Q{TOT}=Q{G}+frac{I{L{BS_TRANS}}}{f{SW}}) 估算，在本示例中為 59nC。假設(shè) (Delta V{BSTx}) 為 1V，可估算出最小自舉電容 (C{BST_MIN}=Q{TOT}/Delta V_{BSTX}=59nF)。實(shí)際應(yīng)用中，為了應(yīng)對各種瞬態(tài)情況，自舉電容的值應(yīng)大于計(jì)算值，TI 建議使用 100nF 的自舉電容，并將其盡可能靠近 BSTx 和 SHx 引腳放置。

對于 GVDD 電容，TI 建議 (C{GVDD} geq 10 × C{BSTX})，在本示例中選擇 1μF 的電容。同時，應(yīng)選擇額定電壓至少為電容所承受最大電壓兩倍的電容，以提高系統(tǒng)的長期可靠性。

3.3 電源與布局建議

3.3.1 電源建議

DRV8351-SEP 設(shè)計(jì)工作在 4.8V 至 15V 的輸入電壓范圍（GVDD）內(nèi)。應(yīng)在 GVDD 和 GND 引腳之間放置一個本地旁路電容，該電容應(yīng)盡可能靠近器件。建議使用低 ESR 的陶瓷表面貼裝電容，可在 GVDD 和 GND 之間使用兩個電容：一個低電容陶瓷表面貼裝電容用于高頻濾波，放置在非?？拷?GVDD 和 GND 引腳的位置；另一個高電容值的表面貼裝電容用于滿足器件的偏置要求。同樣，GHx 引腳提供的電流脈沖來自 BSTx 引腳，因此建議在 BSTx 和 SHx 之間連接一個電容，其電容值應(yīng)足夠大以提供 GHx 脈沖。

3.3.2 布局指南

• 電容放置：應(yīng)將低 ESR/ESL 電容靠近器件連接在 GVDD 和 GND 之間以及 BSTx 和 SHx 引腳之間，以支持外部 MOSFET 開啟時從 GVDD 和 BSTx 引腳汲取的高峰值電流。
• 電壓瞬變抑制：為防止頂部 MOSFET 漏極出現(xiàn)大的電壓瞬變，應(yīng)在高側(cè) MOSFET 漏極和地之間連接一個低 ESR 電解電容和一個高質(zhì)量的陶瓷電容。
• 寄生電感最小化：為避免開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SHx）引腳出現(xiàn)大的負(fù)瞬變，應(yīng)盡量減小高側(cè) MOSFET 源極和低側(cè) MOSFET 源極之間的寄生電感。同時，應(yīng)盡量減小 GHx、SHx 和 GLx 連接的寄生電感，盡可能縮短走線長度并減少過孔數(shù)量，建議最小走線寬度為 10mil，典型值為 15mil。
• 器件靠近放置：應(yīng)將柵極驅(qū)動器盡可能靠近 MOSFET 放置，通過縮短走線長度將對 MOSFET 柵極進(jìn)行充放電的高峰值電流限制在最小的物理區(qū)域內(nèi)，以降低環(huán)路電感并減少 MOSFET 柵極端子上的噪聲問題。

四、總結(jié)

DRV8351-SEP 憑借其出色的性能和豐富的特性，為三相 BLDC 電機(jī)控制設(shè)計(jì)提供了一個強(qiáng)大而可靠的解決方案。在使用這款產(chǎn)品時，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，遵循電源和布局建議，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用類似柵極驅(qū)動器時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。

以上就是關(guān)于 DRV8351-SEP 40V 三相 BLDC 柵極驅(qū)動器的詳細(xì)介紹，希望對各位電子工程師的設(shè)計(jì)工作有所幫助。