DRV835x：三相無刷直流電機驅(qū)動的理想之選

在電子工程師的日常工作中，電機驅(qū)動設(shè)計是一個常見且關(guān)鍵的領(lǐng)域。今天，我要為大家詳細介紹德州儀器（TI）的 DRV835x 系列器件，這是一款高度集成的三相無刷直流（BLDC）電機柵極驅(qū)動器，在眾多應(yīng)用場景中都展現(xiàn)出了卓越的性能。

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1. 特性亮點

1.1 寬電壓范圍與集成功能

DRV835x 支持 9 至 100 V 的輸入電壓范圍，適用于多種電源環(huán)境。它還具備可選的集成降壓調(diào)節(jié)器和可選的三個低端電流檢測放大器，為不同的電機控制方案提供了靈活的選擇。

1.2 智能柵極驅(qū)動架構(gòu)

• 可調(diào)壓擺率控制：通過可調(diào)的壓擺率控制，有效降低了電磁干擾（EMI），提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• (V_{GS}) 握手與最小死區(qū)時間插入：防止了直通現(xiàn)象的發(fā)生，保障了 MOSFET 的安全運行。
• 大電流驅(qū)動能力：提供 50 mA 至 1 A 的峰值源電流和 100 mA 至 2 A 的峰值灌電流，能夠滿足不同功率 MOSFET 的驅(qū)動需求。
• dV/dt 抑制：通過強大的下拉功能，有效抑制了 dV/dt 干擾。

1.3 集成電源供應(yīng)

• 高端倍壓電荷泵：實現(xiàn)了 100% PWM 占空比控制，為高端 MOSFET 提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓。
• 低端線性穩(wěn)壓器：為低端 MOSFET 提供可靠的電源支持。

1.4 集成降壓調(diào)節(jié)器

集成的 LM5008A 降壓調(diào)節(jié)器，工作電壓范圍為 6 至 95 V，輸出能力為 2.5 至 75 V、350 mA，可用于為外部控制器或其他系統(tǒng)部件供電。

1.5 集成電流檢測放大器

集成的三個電流檢測放大器，增益可調(diào)（5、10、20、40 V/V），支持雙向或單向電流檢測，為電機電流監(jiān)測提供了精確的解決方案。

1.6 多種 PWM 模式

支持 6x、3x、1x 和獨立 PWM 模式，能夠滿足不同的控制需求，還支持 120° 有感運行。

1.7 靈活的接口方式

提供 SPI 或硬件接口，方便工程師根據(jù)實際需求進行配置。

1.8 低功耗睡眠模式

在 (V_{VM}=48 V) 時，睡眠模式電流僅為 20 μA，有效降低了系統(tǒng)功耗。

1.9 全面的保護功能

集成了多種保護特性，如 VM 欠壓鎖定（UVLO）、柵極驅(qū)動電源欠壓（GDUV）、MOSFET (V_{DS}) 過流保護（OCP）、MOSFET 直通保護、柵極驅(qū)動器故障（GDF）、熱警告和關(guān)斷（OTW/OTSD）以及故障狀態(tài)指示（nFAULT），確保了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

DRV835x 系列器件廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

• 三相無刷直流電機模塊：為電機提供高效、穩(wěn)定的驅(qū)動。
• 風扇、鼓風機和泵：滿足不同負載的驅(qū)動需求。
• 電動自行車、電動滑板車和電動交通工具：提供可靠的動力支持。
• 電動工具和草坪割草機：適應(yīng)高功率、高負載的工作環(huán)境。
• 無人機、機器人和遙控玩具：實現(xiàn)精確的運動控制。
• 工廠自動化和紡織機械：提高生產(chǎn)效率和精度。

3. 詳細描述

3.1 概述

DRV835x 系列器件通過集成三個獨立的半橋柵極驅(qū)動器、電荷泵和線性穩(wěn)壓器、可選的三個電流檢測放大器以及可選的 350 mA 降壓調(diào)節(jié)器，減少了系統(tǒng)組件數(shù)量、成本和復雜度。標準的串行外設(shè)接口（SPI）或硬件接口（H/W）為配置器件設(shè)置和讀取故障診斷信息提供了簡單的方法。

3.2 功能框圖

從功能框圖可以清晰地看到，DRV835x 包括電源供應(yīng)模塊、柵極驅(qū)動器模塊、控制輸入模塊和保護模塊等。電源供應(yīng)模塊為柵極驅(qū)動器提供穩(wěn)定的電源，柵極驅(qū)動器模塊驅(qū)動外部 N 溝道高端和低端功率 MOSFET，控制輸入模塊接收外部控制信號，保護模塊則確保系統(tǒng)在各種異常情況下的安全運行。

3.3 特性描述

3.3.1 三相智能柵極驅(qū)動器

• PWM 控制模式：提供 6x、3x、1x 和獨立 PWM 模式，每種模式都有其獨特的工作方式和應(yīng)用場景。例如，6x PWM 模式下，每個半橋支持低、高和高阻抗三種輸出狀態(tài)；3x PWM 模式下，INHx 引腳控制半橋的低或高輸出狀態(tài)；1x PWM 模式使用內(nèi)部存儲的 6 步塊換向表，可通過單個 PWM 信號控制三相 BLDC 電機；獨立 PWM 模式允許外部控制器獨立控制每個高端和低端柵極驅(qū)動器。
• 設(shè)備接口模式：支持 SPI 和硬件接口兩種模式。SPI 接口允許外部控制器通過串行通信總線配置器件設(shè)置和讀取詳細的故障信息；硬件接口則將四個 SPI 引腳轉(zhuǎn)換為四個電阻可配置輸入，方便工程師通過簡單的電阻連接來配置常用的器件設(shè)置。
• 柵極驅(qū)動器電源供應(yīng)和輸入電源配置：高端柵極驅(qū)動電壓通過倍壓電荷泵產(chǎn)生，低端柵極驅(qū)動電壓通過線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生。這種配置使得 VM 可以直接連接到高壓電機電源或低電壓柵極驅(qū)動電源，提高了系統(tǒng)的效率和靈活性。
• 智能柵極驅(qū)動架構(gòu)：通過 IDRIVE 和 TDRIVE 兩個組件實現(xiàn)對外部功率 MOSFET 的動態(tài)控制。IDRIVE 可調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動電流，控制 MOSFET (V_{DS}) 壓擺率；TDRIVE 則提供自動死區(qū)時間插入、寄生 dV/dt 柵極導通預防和柵極故障檢測等功能。
• (V_{DS}) 監(jiān)測器：用于檢測外部功率 MOSFET 的過流或短路情況，可編程的 (V_{DS}) 閾值和去毛刺時間，提高了過流保護的準確性。
• VDRAIN 感測和參考引腳：為高端 MOSFET 漏極的公共點提供獨立的感測和參考引腳，確保了過流監(jiān)測和電源供應(yīng)的穩(wěn)定性。

3.3.2 DVDD 線性電壓調(diào)節(jié)器

集成的 5 V、10 mA 線性穩(wěn)壓器，可為外部電路提供穩(wěn)定的電源。在使用時，需要在 DVDD 引腳附近連接一個 X5R 或 X7R、1 μF、6.3 V 的陶瓷電容，以確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

3.3.3 引腳圖

不同的引腳結(jié)構(gòu)和功能為工程師提供了豐富的配置選項。例如，邏輯電平輸入引腳、四級輸入引腳、七級輸入引腳和開漏輸出引腳等，通過不同的連接方式可以實現(xiàn)不同的功能。

3.3.4 低端電流檢測放大器（僅 DRV8353 和 DRV8353R）

集成的三個高性能低端電流檢測放大器，支持雙向和單向電流檢測，增益可調(diào)。通過 SPI 寄存器還可以進行直流校準和自動校準，以提高放大器的精度。此外，這些放大器還可以配置為放大外部低端 MOSFET (V_{DS}) 電壓，實現(xiàn)無分流電阻的電流測量。

3.3.5 降壓調(diào)節(jié)器

DRV8350R 和 DRV8353R 集成的 LM5008A 降壓調(diào)節(jié)器，具有寬輸入電壓范圍、高效率和低靜態(tài)電流等優(yōu)點。其控制方案采用恒定導通時間（COT）模式，在輕負載時工作在不連續(xù)導通模式（DCM），在重負載時工作在連續(xù)導通模式（CCM），能夠滿足不同負載的需求。同時，該調(diào)節(jié)器還具備多種保護功能，如 VCC 欠壓鎖定、柵極驅(qū)動欠壓鎖定、最大占空比限制、智能電流限制關(guān)斷定時器、預充電開關(guān)和熱關(guān)斷等。

3.3.6 柵極驅(qū)動器保護電路

DRV835x 系列器件具備全面的保護功能，能夠有效防止各種異常情況對器件和系統(tǒng)造成損害。例如，VM 電源和 VDRAIN 欠壓鎖定（UVLO）、VCP 電荷泵和 VGLS 調(diào)節(jié)器欠壓鎖定（GDUV）、MOSFET (V_{DS}) 過流保護（VDS_OCP）、SENSE 過流保護（SEN_OCP）、柵極驅(qū)動器故障（GDF）、過流軟關(guān)斷（OCP Soft）、熱警告（OTW）和熱關(guān)斷（OTSD）等。

3.4 設(shè)備功能模式

3.4.1 柵極驅(qū)動器功能模式

• 睡眠模式：當 ENABLE 引腳為低電平時，器件進入低功耗睡眠模式，所有柵極驅(qū)動器、電源調(diào)節(jié)器、感測放大器和 SPI 總線均被禁用，器件寄存器復位到默認值。
• 工作模式：當 ENABLE 引腳為高電平且 (V{VM}>V{UVLO}) 時，器件進入工作模式，電荷泵、低端柵極調(diào)節(jié)器、DVDD 調(diào)節(jié)器和 SPI 總線均處于激活狀態(tài)。
• 故障復位：在發(fā)生鎖定故障時，可以通過設(shè)置 CLR_FLT SPI 位或向 ENABLE 引腳發(fā)送復位脈沖來清除故障，使器件重新進入工作狀態(tài)。

3.4.2 降壓調(diào)節(jié)器功能模式

• 關(guān)斷模式：當 RT/SD 引腳電壓低于約 0.7 V 時，LM5008A 進入關(guān)斷模式，內(nèi)部 LDO 和開關(guān)調(diào)節(jié)器均關(guān)閉，靜態(tài)電流降至 110 μA（典型值）。
• 激活模式：當內(nèi)部偏置軌 VCC 高于其 UV 閾值時，LM5008A 進入激活模式，根據(jù)負載電流的大小，工作在 DCM 或 CCM 模式。

3.5 編程（僅適用于 DRV835x SPI 器件）

SPI 通信接口允許外部控制器通過 16 位數(shù)據(jù)字對器件進行配置和讀取故障信息。數(shù)據(jù)字包括 1 位讀寫位、4 位地址位和 11 位數(shù)據(jù)位，通過 SCLK、SDI、SDO 和 nSCS 引腳進行通信。

3.6 寄存器映射（僅適用于 DRV835x SPI 器件）

DRV835x 系列器件的寄存器包括狀態(tài)寄存器和控制寄存器。狀態(tài)寄存器用于報告警告和故障條件，是只讀寄存器；控制寄存器用于配置器件的各種參數(shù)，是讀寫寄存器。通過對這些寄存器的配置和讀取，工程師可以實現(xiàn)對器件的精確控制和故障診斷。

4. 應(yīng)用與實現(xiàn)

4.1 應(yīng)用信息

DRV835x 系列器件主要用于三相無刷直流電機控制應(yīng)用。在典型應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的設(shè)計要求選擇合適的外部組件，如 MOSFET、電容、電阻等，并進行合理的配置。

4.2 典型應(yīng)用

4.2.1 主應(yīng)用

以 DRV8353R 為例，在單電源、三相 BLDC 電機驅(qū)動應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求選擇合適的外部組件，如 MOSFET、電容、電阻等。同時，還需要考慮 MOSFET 的驅(qū)動能力、IDRIVE 配置、(V_{DS}) 過流監(jiān)測配置、感測放大器配置和單電源功耗計算等因素。

4.2.2 替代應(yīng)用

在某些應(yīng)用中，可以將 DRV8353R 配置為使用一個感測放大器進行單向模式的求和電流感測方案，并采用雙電源模式，通過集成的降壓調(diào)節(jié)器為 VM 柵極驅(qū)動電壓供電，以降低內(nèi)部功耗。

5. 電源供應(yīng)建議

DRV835x 系列器件設(shè)計工作在 9 V 至 75 V 的輸入電壓范圍內(nèi)，需要在 VM 引腳附近放置一個 0.1 μF 的陶瓷電容，并根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的大容量電容進行旁路。

6. 布局建議

6.1 布局指南

在 PCB 布局時，需要注意以下幾點：

• 旁路 VM 引腳至 GND 引腳，使用低 ESR 陶瓷旁路電容，推薦值為 0.1 μF，并盡量靠近 VM 引腳。
• 旁路 VM 引腳使用大容量電容，該電容可以與外部功率 MOSFET 的大容量旁路電容共享。
• 在 CPL 和 CPH 引腳之間放置一個 47 nF 的低 ESR 陶瓷電容，在 VCP 和 VDRAIN 引腳以及 VGLS 和 GND 引腳之間放置一個 1 μF 的低 ESR 陶瓷電容。
• 旁路 DVDD 引腳至 GND/DGND 引腳，使用 1 μF 的低 ESR 陶瓷電容，并盡量靠近引腳。
• 對于單電源應(yīng)用配置，VDRAIN 引腳可以直接短接到 VM 引腳；對于距離較遠的情況，使用專用走線連接到高端外部 MOSFET 漏極的公共點。
• 不要將 SLx 引腳直接連接到 GND，使用專用走線連接到低端外部 MOSFET 的源極，以實現(xiàn)更精確的 (V_{DS}) 感測。
• 盡量減小高端和低端柵極驅(qū)動器的環(huán)路長度。

6.2 降壓調(diào)節(jié)器布局指南

對于集成降壓調(diào)節(jié)器的 DRV8350R 和 DRV8353R 器件，布局時需要注意以下幾點：

• 將反饋網(wǎng)絡(luò)電阻靠近 FB 引腳，遠離電感，以減少耦合噪聲。
• 將輸入旁路電容靠近 VIN 引腳，以降低銅走線電阻對輸入電壓紋波的影響。
• 將電感靠近 SW 引腳，以減少磁和靜電噪聲。
• 將輸出電容靠近電感和二極管的節(jié)點，盡量縮短電感、二極管和 (C_{OUT}) 的走線長度，以減少傳導和輻射噪聲，提高整體效率。
• 使二極管、(C{VIN}) 和 (C{OUT}) 的接地連接盡可能小，并在一個點連接到系統(tǒng)接地平面，以減少系統(tǒng)接地平面的傳導噪聲。

7. 設(shè)備和文檔支持

7.1 設(shè)備支持

了解 DRV835x 系列器件的命名規(guī)則，有助于工程師選擇合適的器件。器件命名規(guī)則包括前綴、封裝、系列、接口、感測放大器和降壓調(diào)節(jié)器等信息。

7.2 文檔支持

TI 提供了豐富的相關(guān)文檔，如用戶指南、數(shù)據(jù)手冊、應(yīng)用報告和技術(shù)說明等，為工程師的設(shè)計和開發(fā)提供了有力的支持。

7.3 相關(guān)鏈接

通過 TI 官網(wǎng)提供的相關(guān)鏈接，工程師可以快速訪問技術(shù)文檔、支持和社區(qū)資源、工具和軟件等。

7.4 文檔更新通知

工程師可以通過在 ti.com 上注冊，接收文檔更新通知，及時了解器件的最新信息。

7.5 社區(qū)資源

TI 的 E2E 在線社區(qū)和設(shè)計支持平臺為工程師提供了一個交流和學習的平臺，工程師可以在上面提問、分享知識、探索想法和解決問題。

7.6 商標和靜電放電注意事項

在使用 DRV835x 系列器件時，需要注意相關(guān)的商標信息，并采取適當?shù)撵o電放電預防措施，以避免器件受到 ESD 損害。

7.7 術(shù)語表

TI 提供的術(shù)語表可以幫助工程師理解文檔中使用的術(shù)語、首字母縮寫詞和定義。

8. 機械、封裝和可訂購信息

文檔中提供了 DRV835x 系列器件的機械、封裝和可訂購信息，包括不同封裝的尺寸、引腳配置、包裝數(shù)量、RoHS 合規(guī)性、MSL 評級和峰值回流溫度等，方便工程師進行選型和采購。

DRV835x 系列器件以其豐富的功能、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和全面的支持文檔，為電子工程師在三相無刷直流電機驅(qū)動設(shè)計中提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計要求，合理選擇器件和外部組件，并注意布局和電源供應(yīng)等方面的問題，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。希望本文對大家在 DRV835x 系列器件的設(shè)計和應(yīng)用中有所幫助。大家在使用過程中有任何問題或經(jīng)驗，歡迎在評論區(qū)分享交流。