深入剖析DRV10974：低噪聲三相無傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)的得力之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)常見且關(guān)鍵的領(lǐng)域。今天，我們就來深入探討一款性能出色的三相無傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器——德州儀器（TI）的DRV10974。

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一、產(chǎn)品概述

DRV10974是一款集成了功率MOSFET的三相無傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，能夠提供高達(dá)1A連續(xù)（rms）的驅(qū)動(dòng)電流。它專為低噪聲、外部元件數(shù)量少的12V電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，適用于各種需要低噪聲運(yùn)行的場(chǎng)景，如家電風(fēng)扇、泵和鼓風(fēng)機(jī)等。

該驅(qū)動(dòng)器采用180°無傳感器控制方案，為電機(jī)相位提供正弦輸出電壓，只需通過外部電阻設(shè)置峰值電流、超前角和加速曲線，無需額外配置，大大簡化了設(shè)計(jì)過程。

二、產(chǎn)品特性

（一）引腳配置與功能

DRV10974有兩種封裝形式：PWP PowerPAD? Package 16 - Pin HTSSOP和RUM Package 16 - Pin WQFN。其引腳功能豐富且實(shí)用，以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：

• ADV引腳：通過1/8 - W電阻選擇應(yīng)用的超前角，引腳懸空時(shí)為最長超前角，超前角在電源上電時(shí)由ADV引腳電壓決定。
• CS引腳：通過1/8 - W電阻選擇電流限制，引腳懸空時(shí)為最高電流限制，電流限制在電源上電時(shí)由CS引腳電壓決定。
• FG引腳：提供電機(jī)速度反饋，為開漏輸出，內(nèi)部上拉至V3P3，若上拉電壓高于V3P3，需外接上拉電阻限制電流。
• FR引腳：用于控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，F(xiàn)R = 0時(shí)，電機(jī)按U→V→W方向旋轉(zhuǎn)；FR = 1時(shí)，電機(jī)按U→W→V方向旋轉(zhuǎn)，其值在退出低功耗模式時(shí)由FR引腳狀態(tài)決定，內(nèi)部有下拉電阻。
• PWM引腳：作為電機(jī)速度控制輸入，可自動(dòng)檢測(cè)模擬或數(shù)字模式，內(nèi)部上拉至2.2V。

（二）電氣特性

1. 電源電流：在TA = 25°C、VCC = 12V且無電機(jī)負(fù)載的情況下，ICC為5 - 7mA；在低功耗模式下，ICC(LP)為380μA。
2. 欠壓鎖定（UVLO）：VCC的UVLO下降閾值V(UVLO_F)為4.2 - 4.4V，上升閾值V(UVLO_R)為4.5 - 4.85V，滯回電壓Vhys(UVLO)為400mV。
3. 電荷泵UVLO：VVCP(UVLO_F)為3.35 - 4.05V，VVCP(UVLO_R)為3.65 - 4.37V，滯回電壓Vhys(VCP)為330mV。
4. V1P8 UVLO：V(V1P8_F)為1.25 - 1.55V，V(V1P8_R)為1.35 - 1.65V，滯回電壓Vhys(V1P8)為100mV。
5. 電壓調(diào)節(jié)器：V1P8電壓VV1P8在TA = 25°C、C(V1P8) = 1μF時(shí)為1.7 - 1.9V，最大外部負(fù)載電流IV1P8為3mA。
6. 集成MOSFET：高端FET導(dǎo)通電阻rds(on)_HS和低端FET導(dǎo)通電阻rds(on)_LS在TA = 25°C、VCC = 12V、IO = 100mA時(shí)均為0.375 - 0.425Ω。

（三）典型特性

從典型特性曲線中，我們可以直觀地看到一些關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)。例如，電源電流與電源電壓的關(guān)系曲線顯示，隨著電源電壓的升高，電源電流也會(huì)相應(yīng)增加；而rDS(on)與溫度的關(guān)系曲線則表明，當(dāng)VCC = 12V時(shí)，隨著溫度的升高，rDS(on)會(huì)逐漸增大。這些特性對(duì)于我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中合理選擇電源和評(píng)估器件的性能非常有幫助。

三、功能詳細(xì)描述

（一）速度輸入與控制

DRV10974的PWM輸入用于控制電機(jī)的速度，PWM輸入的占空比決定了施加到電機(jī)上的電壓大小，從而間接控制電機(jī)的速度。PWM引腳可以接受數(shù)字占空比或模擬電壓輸入。 當(dāng)PWM引腳輸入數(shù)字信號(hào)時(shí)，占空比通過低通濾波器在120ms內(nèi)從0%線性增加到100%，控制分辨率約為0.2%。當(dāng)PWM占空比大于15%時(shí)，輸出峰值幅度由公式(V{ph{pk}} = PWM{dc} × V{CC})決定；當(dāng)PWM占空比低于15%但高于1.5%時(shí)，輸出由最小操作占空比控制。如果電源電壓VVCC > 14V，最大PWMdc限制為14V / VVCC。 當(dāng)PWM引腳輸入模擬電壓時(shí)，輸出峰值幅度取決于電源電壓、PWM引腳的模擬電壓VANA和V1P8的電壓VV1P8，計(jì)算公式為(V{ph{pk}}=frac{V{ANA}}{V{1P8}}×V_{CC})。

（二）電機(jī)方向改變

通過設(shè)置FR引腳的邏輯狀態(tài)，可以輕松控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。FR = 0時(shí)，電機(jī)按U→V→W方向旋轉(zhuǎn)；FR = 1時(shí)，電機(jī)按U→W→V方向旋轉(zhuǎn)。

（三）電機(jī)頻率反饋（FG）

FG引腳在電機(jī)運(yùn)行過程中提供電機(jī)速度反饋。在一個(gè)電周期內(nèi)，F(xiàn)G引腳會(huì)翻轉(zhuǎn)一次，通過公式(RPM=frac{f_{(FG)} × 60}{pole_pairs})可以計(jì)算出電機(jī)的機(jī)械速度。在開環(huán)加速過程中，F(xiàn)G引腳指示驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)頻率；在電機(jī)減速過程中，F(xiàn)G引腳繼續(xù)提供速度反饋，直到電機(jī)速度低于10Hz，此時(shí)器件進(jìn)入低功耗模式，F(xiàn)G輸出保持高電平。

（四）鎖定檢測(cè)

DRV10974具備全面的鎖定檢測(cè)功能，包括六種不同的鎖定檢測(cè)方案，能夠有效檢測(cè)電機(jī)因外部條件導(dǎo)致的鎖定情況，并采取保護(hù)措施。當(dāng)檢測(cè)到鎖定時(shí)，器件會(huì)停止電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間后嘗試重新啟動(dòng)電機(jī)。

1. Lock Kt Measure：在從開環(huán)加速過渡到閉環(huán)加速時(shí)，測(cè)量電機(jī)的實(shí)際Kt值，如果未達(dá)到200mV，則觸發(fā)鎖定。
2. Lock No Motor：在對(duì)齊狀態(tài)結(jié)束時(shí)檢查相U電流，如果小于50mA，則認(rèn)為電機(jī)未連接，觸發(fā)鎖定。
3. Lock Open Loop Abnormal：在開環(huán)加速過程中，如果電換相速率超過200Hz但未達(dá)到切換閾值，則觸發(fā)鎖定。
4. Lock BEMF Abnormal：監(jiān)測(cè)電機(jī)半電周期內(nèi)的反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）積分值，根據(jù)初始測(cè)量確定可接受的Kt值范圍，在閉環(huán)運(yùn)行時(shí)持續(xù)更新Ktc值，若Ktc值超出范圍，則觸發(fā)鎖定。
5. Lock Closed Loop Abnormal：在閉環(huán)模式下，如果閉環(huán)換相周期小于前一個(gè)換相周期的一半，則觸發(fā)鎖定。
6. Lock Speed Abnormal：如果計(jì)算得到的電機(jī)BEMF值在一個(gè)電周期內(nèi)比施加在相U上的電壓高1.5倍，則觸發(fā)鎖定。

（五）軟電流限制

軟電流限制功能通過測(cè)量電機(jī)電阻Rm和電機(jī)速度常數(shù)Kt，限制施加到相U上的電壓，從而防止電流超過限制值I(LIMIT)。該功能僅在正常閉環(huán)模式下有效，不會(huì)導(dǎo)致故障或停止電機(jī)運(yùn)行，通常用于限制電機(jī)加速過程中因重載導(dǎo)致的電流過大。I(LIMIT)電流通過外部電阻R(CS)配置。

（六）短路電流保護(hù)

當(dāng)任何電機(jī)相的電流超過短路保護(hù)限制I(OC_LIMIT)時(shí)，短路電流保護(hù)功能會(huì)將電機(jī)相置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，停止對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過初始化序列后，器件會(huì)嘗試重新啟動(dòng)電機(jī)，以保護(hù)器件和電機(jī)免受短路故障的影響。

（七）過溫保護(hù)

DRV10974具有熱關(guān)斷功能，當(dāng)器件結(jié)溫超過TSD溫度時(shí)，會(huì)禁用電機(jī)操作；當(dāng)結(jié)溫低于TSD - TSD(hys)時(shí)，電機(jī)操作恢復(fù)。

（八）欠壓保護(hù)

欠壓鎖定功能可防止在電源電壓VCC過低時(shí)電機(jī)運(yùn)行。上電時(shí)，當(dāng)VCC高于V(UVLO_F) + Vhys(UVLO)時(shí)，器件開始工作；當(dāng)VCC低于V(UVLO_F)時(shí)，器件停止工作。

四、設(shè)備功能模式

（一）啟動(dòng)設(shè)置

1. 電機(jī)啟動(dòng)：電機(jī)啟動(dòng)過程包括初始速度檢測(cè)、對(duì)齊、測(cè)量電機(jī)電阻、開環(huán)加速、滑行/測(cè)量Kt和閉環(huán)加速/運(yùn)行等步驟。在啟動(dòng)前，需要確保電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過PWM信號(hào)觸發(fā)啟動(dòng)。
2. 初始速度檢測(cè)：每次退出低功耗模式時(shí)，器件會(huì)通過檢測(cè)FG引腳的頻率來判斷電機(jī)是否旋轉(zhuǎn)。如果頻率小于10Hz，則認(rèn)為電機(jī)靜止；如果頻率大于10Hz，則將電機(jī)減速至10Hz以下或經(jīng)過5秒超時(shí)。
3. 對(duì)齊：為了使轉(zhuǎn)子與換相邏輯對(duì)齊，器件向相U施加與閉環(huán)運(yùn)行電流相等的電流，同時(shí)驅(qū)動(dòng)相V和相W，持續(xù)時(shí)間最長為0.67s。為避免電流突變產(chǎn)生不良聲學(xué)效果，施加到電機(jī)上的電壓會(huì)逐漸變化，使電流變化率為12A/s。

（二）開環(huán)加速

電機(jī)確認(rèn)靜止并完成初始化后，器件開始開環(huán)加速。通過在過渡到閉環(huán)操作之前使用外部電阻設(shè)置加速曲線，可以配置電機(jī)的啟動(dòng)特性。開環(huán)加速的目的是將電機(jī)驅(qū)動(dòng)到最小速度，使電機(jī)產(chǎn)生足夠的BEMF，以便換相控制邏輯能夠準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

（三）啟動(dòng)電流檢測(cè)

啟動(dòng)峰值電流由電流檢測(cè)限制電阻R(CS)控制。根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的R(CS)電阻，以確保電機(jī)能夠可靠加速到切換閾值。較重的負(fù)載可能需要更高的電流設(shè)置，但加速速率受RMP引腳連接的電阻限制。

（四）閉環(huán)控制

當(dāng)電機(jī)加速到目標(biāo)BEMF閾值時(shí)，換相控制從開環(huán)模式切換到閉環(huán)模式。在切換過程中，電機(jī)允許滑行一個(gè)電周期以測(cè)量Kt。閉環(huán)加速和減速值由內(nèi)部控制算法和PWM輸入的占空比決定。

（五）控制超前角

為了實(shí)現(xiàn)最佳效率，需要控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，使電流與電機(jī)的BEMF電壓對(duì)齊。DRV10974通過ADV引腳連接的電阻提供多種固定超前時(shí)間選項(xiàng)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

DRV10974適用于無傳感器三相無刷直流（BLDC）電機(jī)控制，為家電風(fēng)扇、泵和鼓風(fēng)機(jī)等應(yīng)用提供高性能、高可靠性、靈活且簡單的解決方案。

（二）典型應(yīng)用

典型應(yīng)用電路中，需要根據(jù)推薦選擇合適的外部組件，如在VCC和GND之間連接10 - μF、25 - V的陶瓷電容，在VCP和VCC之間連接100 - nF、10 - V的陶瓷電容，在V1P8和GND之間連接1 - μF ±30%、6.3 - V的陶瓷電容等。同時(shí)，通過外部電阻連接到RMP、CS和ADV引腳來設(shè)置加速曲線、電流限制和超前角。

（三）設(shè)計(jì)要求與詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮電機(jī)的一些關(guān)鍵參數(shù)，如電機(jī)電壓、BEMF常數(shù)、電機(jī)相電阻等。根據(jù)這些參數(shù)和應(yīng)用需求，選擇合適的外部電阻來配置DRV10974的各項(xiàng)功能。通常，CS引腳的電阻根據(jù)應(yīng)用規(guī)格確定，而RMP和ADV引腳的電阻需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。一般先將RMP引腳設(shè)置為最慢的加速曲線，同時(shí)調(diào)整ADV引腳的電阻，使電機(jī)運(yùn)行效率最佳，然后再根據(jù)需要調(diào)整RMP引腳的電阻，以實(shí)現(xiàn)更快的加速而不影響啟動(dòng)可靠性。

六、電源供應(yīng)建議

DRV10974的輸入電源電壓范圍為4.4V至18V。為了確保器件的穩(wěn)定運(yùn)行，需要在VCC和GND引腳之間盡可能靠近器件的位置連接一個(gè)至少10 - μF的電容。如果電源紋波超過200mV，則需要根據(jù)應(yīng)用需求增加一個(gè)大容量電容。

七、布局建議

合理的布局對(duì)于DRV10974的性能至關(guān)重要。在布局時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

1. 使用較粗的走線連接VCC、GND、U、V和W引腳，以降低電阻和電感，減少信號(hào)干擾。
2. 將10 - μF的電容盡可能靠近VCC和GND引腳放置，將100 - nF的電容盡可能靠近VCP和VCC引腳放置，以提供良好的去耦效果。
3. 將GND和PGND連接在散熱焊盤下方，確保散熱良好。
4. 保持散熱焊盤的連接面積盡可能大，應(yīng)為一塊完整的銅箔，避免出現(xiàn)間隙。

八、總結(jié)

DRV10974是一款功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)靈活的三相無傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有低噪聲、外部元件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)。通過合理配置外部電阻和遵循布局原則，我們可以充分發(fā)揮其性能，為各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們還需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文對(duì)大家了解和使用DRV10974有所幫助，如果你在使用過程中遇到任何問題，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。