DRV816x系列半橋智能柵極驅(qū)動器：功能、應(yīng)用與設(shè)計要點

作為電子工程師，在設(shè)計電機驅(qū)動電路時，一款性能出色且功能豐富的柵極驅(qū)動器至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的DRV816x系列半橋智能柵極驅(qū)動器，包括DRV8161、DRV8162和DRV8162L。

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一、器件概述

DRV816x系列器件是專為驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)N溝道MOSFET而設(shè)計的半橋柵極驅(qū)動器。它具有集成度高、功能豐富、保護完善等特點，能廣泛應(yīng)用于各種電機驅(qū)動和其他需要功率開關(guān)控制的場合。

（一）關(guān)鍵特性

1. 驅(qū)動能力：可驅(qū)動半橋配置的兩個N溝道MOSFET，高側(cè)MOSFET源極/漏極電壓最高可達102V（絕對最大值），柵極驅(qū)動電源電壓范圍為8V（DRV8162L為5V）至20V，還集成了自舉二極管。
2. 功能安全：具備功能安全質(zhì)量管理，提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計。
3. PWM支持：支持100%的PWM占空比，集成了涓流充電泵。
4. 柵極驅(qū)動電流：提供16級柵極驅(qū)動峰值電流，源電流范圍為16mA - 1000mA，灌電流范圍為32mA - 2000mA，且源 - 灌電流比有1:1、1:2、1:3可選。
5. 死區(qū)時間調(diào)整：PWM死區(qū)時間可在20ns - 900ns之間調(diào)整。
6. 保護功能：集成了GVDD欠壓保護（GVDDUV）、自舉欠壓保護（BST_UV）、MOSFET過流保護（VDS）、直通保護、熱關(guān)斷（OTSD）等多種保護功能，并通過nFAULT引腳指示故障狀態(tài)。
7. 邏輯輸入兼容性：支持3.3V和5V邏輯輸入。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

該系列器件適用于多種應(yīng)用場景，包括工業(yè)及協(xié)作機器人、移動機器人（AGV/AMR）、直線電機運輸系統(tǒng)、伺服驅(qū)動器、無人機、電動自行車、電動滑板車等電動交通工具。

二、器件比較

DRV8161和DRV8162/DRV8162L在一些特性上存在差異，具體如下表所示：

從表中可以看出，DRV8161集成了低側(cè)電流檢測放大器，可用于電流反饋；而DRV8162和DRV8162L提供了單獨的GVDD和GVDD_LS引腳，有助于實現(xiàn)安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷（STO）功能。

三、引腳配置與功能

DRV816x系列器件采用20引腳VSSOP封裝，不同引腳具有不同的功能。以下是一些關(guān)鍵引腳的功能說明：

1. DT/MODE：選擇輸入引腳接口邏輯和柵極驅(qū)動死區(qū)時間設(shè)置。通過在DT和GND之間連接電阻，可調(diào)整死區(qū)時間在20ns至900ns之間，并選擇PWM模式。
2. INH/IN和INL/EN：柵極驅(qū)動器控制輸入，其控制方式取決于DT/MODE引腳的設(shè)置。
3. nDRVOFF：柵極驅(qū)動器關(guān)斷控制引腳。將其拉低可使高側(cè)和低側(cè)外部MOSFET關(guān)斷，將柵極驅(qū)動器置于下拉狀態(tài)。
4. nFAULT/nDRVOFF（DRV8161）和nFAULT（DRV8162/DRV8162L）：故障指示引腳。在故障條件下，該引腳被拉低。

四、電氣特性與性能參數(shù)

（一）絕對最大額定值

在使用DRV816x器件時，需要注意其絕對最大額定值，超出這些范圍可能會導致器件永久性損壞。例如，nFAULT引腳的電壓范圍為 - 0.3V至20V，INH(IN)、INL(EN)、nDRVOFF、VDSLVL引腳的電壓范圍也為 - 0.3V至20V等。

（二）推薦工作條件

為了確保器件的正常工作和性能穩(wěn)定，應(yīng)在推薦工作條件下使用。例如，GVDD電源電壓范圍為8V至20V（DRV8162L為5V至20V），VDRAIN高側(cè)漏極引腳電壓范圍為0V至90V等。

（三）電氣性能參數(shù)

器件的電氣性能參數(shù)包括各種電流、電壓、時間等參數(shù)。例如，柵極驅(qū)動的上升和下降傳播延遲時間在25ns至80ns之間，電流檢測放大器的增益可在5V/V、10V/V、20V/V、40V/V之間調(diào)整等。

五、功能詳細描述

（一）柵極驅(qū)動器

DRV816x系列器件集成了高側(cè)和低側(cè)FET柵極驅(qū)動器，采用自舉柵極驅(qū)動架構(gòu)，在PWM開關(guān)期間生成高側(cè)柵極驅(qū)動器電壓。GVDD引腳為高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器供電，并設(shè)置FET的VGS電壓。

1. PWM控制模式

該系列器件提供三種不同的PWM控制模式：2 - 引腳PWM、1 - 引腳PWM和獨立PWM模式。這些模式通過DT/MODE引腳進行配置。

• 2 - 引腳PWM模式：半橋驅(qū)動器支持低、高或高阻抗（Hi - Z）三種輸出狀態(tài)，由INH和INL信號控制。
• 1 - 引腳PWM模式：IN引腳控制半橋，支持低或高兩種輸出狀態(tài)，EN引腳可將半橋置于Hi - Z狀態(tài)。
• 獨立PWM模式：INH和INL引腳分別控制GH和GL輸出，可獨立驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)負載，適用于驅(qū)動螺線管、開關(guān)磁阻電機等。

2. 柵極驅(qū)動架構(gòu)

柵極驅(qū)動器采用互補推挽拓撲，低側(cè)柵極驅(qū)動器直接由GVDD調(diào)節(jié)器電源供電，高側(cè)柵極驅(qū)動器通過集成的自舉二極管和外部自舉電容生成浮動高側(cè)柵極電壓。

3. 涓流充電泵（TCP）

內(nèi)部涓流充電泵連接到BST節(jié)點，可減少驅(qū)動器和外部組件泄漏電流引起的電壓降。在獨立PWM模式下，充電泵始終處于激活狀態(tài)；在2 - 引腳PWM和1 - 引腳PWM模式下，若INL保持低電平250us（典型值），充電泵將被激活。

4. 死區(qū)時間和直通保護

DRV816x提供死區(qū)時間插入功能，可防止半橋的兩個外部MOSFET同時導通。死區(qū)時間可通過在DT/MODE和地之間連接電阻進行調(diào)整。在2 - 引腳PWM模式下，還具備直通保護功能，當高側(cè)和低側(cè)輸入同時為高電平時，會關(guān)閉高側(cè)和低側(cè)輸出，防止直通現(xiàn)象發(fā)生。

（二）低側(cè)電流檢測放大器（DRV8161）

DRV8161集成了高性能低側(cè)電流檢測放大器，用于使用低側(cè)分流電阻進行電流測量。該放大器具有可配置的增益，可通過CSAGAIN引腳設(shè)置為5V/V、10V/V、20V/V或40V/V。

（三）柵極驅(qū)動器關(guān)斷序列

當nDRVOFF引腳被拉低時，柵極驅(qū)動器進入關(guān)斷狀態(tài)，覆蓋INH/IN和INL/EN輸入引腳的信號。在關(guān)斷過程中，柵極驅(qū)動器會以IDRVN_SD電流進行主動下拉，持續(xù)時間為tDRVN_SD。

（四）保護電路

DRV816x系列器件具備多種保護電路，可確保器件在異常情況下的安全運行。

1. GVDD欠壓鎖定（GVDD_UV）：當GVDD引腳電壓低于VGVDD_UV閾值電壓超過tGVDD_UV_DG消抖時間時，器件檢測到GVDD欠壓事件，所有柵極驅(qū)動器輸出被拉低，充電泵禁用，nFAULT引腳被拉低。
2. MOSFET VDS過流保護（VDS_OCP）：通過監(jiān)測外部MOSFET的VDS電壓降，檢測過流或短路情況。當VDS電壓超過VVDSLVL閾值超過tDS_DG消抖時間時，器件檢測到VDS過流事件，所有柵極驅(qū)動器輸出被拉低，nFAULT引腳被拉低。
3. 熱關(guān)斷（OTSD）：當芯片結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值時，器件檢測到OTSD事件，所有柵極驅(qū)動器輸出被拉低，nFAULT引腳被拉低。
4. 自舉欠壓保護：當BST - SH引腳電壓低于V BST_UV閾值時，高側(cè)柵極驅(qū)動器進入半主動下拉狀態(tài)。

六、應(yīng)用與設(shè)計要點

（一）典型應(yīng)用電路

1. DRV8161典型應(yīng)用

DRV8161的典型應(yīng)用電路包括與MCU或數(shù)字控制器的連接，通過PWM信號控制柵極驅(qū)動器，同時利用電流檢測放大器進行電流反饋。

2. DRV8162和DRV8162L典型應(yīng)用

DRV8162和DRV8162L的典型應(yīng)用電路與DRV8161類似，但具有單獨的GVDD和GVDD_LS引腳，可用于實現(xiàn)STO功能。

（二）外部組件選擇

在設(shè)計應(yīng)用電路時，需要選擇合適的外部組件，如自舉電容、GVDD電容、VDRAIN電容、硬件接口電阻等。以下是一些推薦的組件值：

1. 自舉電容（CBST）：推薦值為1.0μF，其額定電壓應(yīng)根據(jù)外部MOSFET的總柵極電荷和V BST - V SH電壓確定。
2. GVDD電容（CGVDD）：推薦值為10μF，用于穩(wěn)定GVDD電源電壓。
3. VDRAIN電容（CVDRAIN）：推薦值為0.1μF，用于為充電泵提供穩(wěn)定的開關(guān)電流。

（三）布局指南

為了確保器件的性能和可靠性，在PCB布局時需要遵循以下指南：

1. 盡量減小GH、SH、GL和SL走線的長度和阻抗，減少過孔數(shù)量，以降低寄生電感。
2. 將自舉電容CBST靠近相應(yīng)引腳放置，將GVDD電容靠近GVDD引腳放置，將VDRAIN電容靠近VDRAIN引腳放置。
3. 為外部MOSFET的高電流路徑添加額外的大容量電容，以旁路高電流，并盡量減小高電流路徑的長度。
4. 將SL引腳連接到MOSFET源極，而不是直接連接到GND，以實現(xiàn)準確的VDS檢測。
5. 對于DRV8161，將SN/SP引腳從檢測電阻并行布線到器件，并將濾波組件靠近器件引腳放置，以減少濾波后噪聲耦合。

（四）電源供應(yīng)建議

DRV816x系列器件的輸入電壓范圍為5V至90V，需要在VDRAIN引腳附近放置一個0.1μF的陶瓷電容。此外，還需要根據(jù)應(yīng)用需求添加適當?shù)拇笕萘侩娙?，以確保電源的穩(wěn)定性。

七、總結(jié)

DRV816x系列半橋智能柵極驅(qū)動器是一款功能強大、性能出色的電機驅(qū)動解決方案。它具有豐富的保護功能、靈活的PWM控制模式和可配置的參數(shù)，適用于各種電機驅(qū)動和功率開關(guān)控制應(yīng)用。在設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的器件型號，并注意引腳配置、電氣特性、布局和電源供應(yīng)等方面的要點，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

作為電子工程師，你在使用類似柵極驅(qū)動器時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。