DRV835x：高性能三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的理想之選

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)一直是一個(gè)關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。今天，我們要深入探討德州儀器（TI）的 DRV835x 系列器件，這是一款專為三相無刷直流（BLDC）電機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高度集成柵極驅(qū)動(dòng)器，它在減少系統(tǒng)組件數(shù)量、降低成本和復(fù)雜度方面表現(xiàn)出色。

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1. 器件概述

DRV835x 系列器件集成了三個(gè)獨(dú)立的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器、電荷泵和線性穩(wěn)壓器，為高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器提供電源。此外，部分器件還集成了三個(gè)電流分流放大器和一個(gè) 350 - mA 的降壓調(diào)節(jié)器。該系列器件支持標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口（SPI）和硬件接口（H/W）兩種配置方式，方便工程師根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

2. 關(guān)鍵特性剖析

2.1 智能柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

DRV835x 采用智能柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，具有諸多優(yōu)勢(shì)。它可以動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出柵極驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度，從而控制功率 MOSFET 的 (V_{DS}) 開關(guān)速度，減少了外部柵極驅(qū)動(dòng)電阻和二極管的使用，降低了物料清單（BOM）成本和 PCB 面積。同時(shí)，該架構(gòu)還能保護(hù)外部 MOSFET 免受柵極驅(qū)動(dòng)短路事件、dV/dt 寄生導(dǎo)通等問題的影響。

2.2 集成電源供應(yīng)

• 高側(cè)電荷泵：采用倍增器電荷泵架構(gòu)，可將 VCP 輸出調(diào)節(jié)至 (V_{VDRAIN }+10.5 - V)，支持 100% 的 PWM 占空比控制。
• 低側(cè)線性穩(wěn)壓器：從 VM 電源生成低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電源電壓，將 VGLS 輸出調(diào)節(jié)至 14.5 - V，并在 GLx 低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出進(jìn)一步調(diào)節(jié)至 11 - V。

  2.3 多種 PWM 控制模式

  DRV835x 提供 6x、3x、1x 和獨(dú)立 PWM 四種控制模式，以支持不同的換向和控制方法。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的電機(jī)控制需求選擇合適的模式。例如，在簡(jiǎn)單的有傳感器梯形控制中，1x PWM 模式可以通過內(nèi)部存儲(chǔ)的 6 步塊換向表，使用單個(gè) PWM 信號(hào)控制三相 BLDC 電機(jī)。

  2.4 豐富的保護(hù)功能

  該系列器件具備全面的保護(hù)功能，包括 VM 欠壓鎖定（UVLO）、柵極驅(qū)動(dòng)電源欠壓（GDUV）、MOSFET (V_{DS}) 過流保護(hù)（OCP）、MOSFET 直通預(yù)防、柵極驅(qū)動(dòng)器故障（GDF）、熱警告和關(guān)斷（OTW/OTSD）等。這些保護(hù)功能可以有效提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3. 應(yīng)用場(chǎng)景

DRV835x 系列器件的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域：

• 工業(yè)自動(dòng)化：如工廠自動(dòng)化和紡織機(jī)器，可實(shí)現(xiàn)高效、精確的電機(jī)控制。
• 電動(dòng)交通工具：像電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車和電動(dòng)移動(dòng)設(shè)備，為其提供可靠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。
• 消費(fèi)電子：包括風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)和泵等設(shè)備，能夠滿足其對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求。
• 無人機(jī)和機(jī)器人：在無人機(jī)、機(jī)器人和遙控玩具中，可實(shí)現(xiàn)靈活、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制。

4. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 外部 MOSFET 選擇

在選擇外部 MOSFET 時(shí)，需要考慮 MOSFET 的柵極電荷、VCP 電荷泵容量、VGLS 穩(wěn)壓器容量和輸出 PWM 開關(guān)頻率等因素?？梢允褂霉?(VCP/VGLS > Q{g} × f{PWM }) 快速計(jì)算 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)能力。例如，當(dāng) (V{VM}=48 ~V) 且最大 PWM 開關(guān)頻率為 45 kHz 時(shí)，VCP 電荷泵和 VGLS 穩(wěn)壓器可以支持梯形換向時(shí) (Q{g}<556) nC 的 MOSFET，以及正弦換向時(shí) (Q_{g}<185) nC 的 MOSFET。

4.2 IDRIVE 配置

柵極驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度 IDRIVE 的選擇應(yīng)基于外部 MOSFET 的柵 - 漏電荷和目標(biāo)上升/下降時(shí)間。如果 IDRIVE 選擇過低，MOSFET 可能無法在 tDRIVE 時(shí)間內(nèi)完全導(dǎo)通，從而導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)故障。建議在實(shí)際系統(tǒng)中根據(jù)所需的外部 MOSFET 和電機(jī)調(diào)整這些值，以確定最佳設(shè)置。

4.3 (V_{DS}) 過流監(jiān)測(cè)配置

(V{DS}) 監(jiān)測(cè)器的配置應(yīng)基于最壞情況下的電機(jī)電流和外部 MOSFET 的 (R{DS(on)}) 值。計(jì)算公式為 (V{DS_OCP }> I{max } × R{DS(on) max })。例如，若要使 (V{DS}) 監(jiān)測(cè)器在電流大于 75 A 時(shí)觸發(fā)，根據(jù) CSD19535KCS MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊(cè)，在 (T{A}=25^{circ} C) 時(shí) (R{DS(on)}) 最大值為 3.6 mΩ，在 175°C 時(shí)為 2.2 倍，即 7.92 mΩ。則 (V_{DS_OCP }> 75 A × 7.92 mΩ = 0.594 V)。

4.4 電源供應(yīng)設(shè)計(jì)

DRV835x 器件設(shè)計(jì)用于在 9 V 至 75 V 的輸入電壓供應(yīng)（VM）范圍內(nèi)工作。在 VM 引腳附近應(yīng)放置一個(gè) 0.1 - μF 的陶瓷電容，并根據(jù)應(yīng)用需求添加適當(dāng)?shù)拇笕萘侩娙?，以滿足外部半橋 MOSFET 的旁路需求。

5. 布局建議

合理的 PCB 布局對(duì)于 DRV835x 器件的性能至關(guān)重要。以下是一些布局要點(diǎn)：

• 旁路電容：在 VM 引腳附近放置一個(gè) 0.1 - μF 的陶瓷電容，并使用一個(gè)大容量電容對(duì) VM 引腳進(jìn)行旁路。同時(shí)，在 CPL 和 CPH 引腳之間放置一個(gè) 47 - nF 的陶瓷電容，在 VCP 和 VDRAIN 引腳、VGLS 和 GND 引腳之間放置 1 - μF 的陶瓷電容。
• 信號(hào)走線：盡量縮短高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的環(huán)路長度，減少信號(hào)干擾。VDRAIN 引腳應(yīng)直接連接到外部 MOSFET 的漏極公共點(diǎn)，SLx 引腳應(yīng)使用專用走線連接到低側(cè)外部 MOSFET 的源極，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的 (V_{DS}) 感應(yīng)。
• 降壓調(diào)節(jié)器布局：將反饋網(wǎng)絡(luò)電阻靠近 FB 引腳，輸入旁路電容靠近 VIN 引腳，電感靠近 SW 引腳，輸出電容靠近電感和二極管的節(jié)點(diǎn)，以減少噪聲干擾，提高電源轉(zhuǎn)換效率。

6. 總結(jié)

DRV835x 系列器件以其高度集成的特性、豐富的功能和靈活的配置方式，為三相 BLDC 電機(jī)應(yīng)用提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的解決方案。無論是在工業(yè)自動(dòng)化、電動(dòng)交通工具還是消費(fèi)電子等領(lǐng)域，DRV835x 都能幫助電子工程師實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，合理選擇外部組件，優(yōu)化 PCB 布局，以充分發(fā)揮該器件的性能優(yōu)勢(shì)。希望通過本文的介紹，能為廣大電子工程師在電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方面提供一些有價(jià)值的參考。你在使用 DRV835x 過程中遇到過哪些問題？或者你對(duì)它的哪些特性最感興趣呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。