汽車級(jí)單H橋柵極驅(qū)動(dòng)器DRV870x-Q1的深度解析與應(yīng)用指南

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的領(lǐng)域。今天，我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的DRV870x-Q1系列汽車級(jí)單H橋柵極驅(qū)動(dòng)器，包括DRV8702-Q1和DRV8703-Q1這兩款產(chǎn)品。它們?cè)谄噾?yīng)用中有著廣泛的用途，下面我們就來(lái)詳細(xì)了解一下。

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一、核心特性亮點(diǎn)

1. 汽車級(jí)認(rèn)證與安全設(shè)計(jì)

DRV870x-Q1通過(guò)了AEC-Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證，其器件溫度等級(jí)為1，環(huán)境工作溫度范圍在 -40°C 至 +125°C之間。同時(shí)，它具備功能安全能力，還提供了相關(guān)文檔來(lái)輔助功能安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這為汽車應(yīng)用中的安全性提供了可靠保障。

2. 靈活的驅(qū)動(dòng)與接口設(shè)計(jì)

作為單H橋柵極驅(qū)動(dòng)器，它能夠驅(qū)動(dòng)四個(gè)外部N溝道MOSFET，并且支持100%的PWM占空比。其工作電源電壓范圍在5.5至45V之間，有PH/EN、獨(dú)立H橋和PWM三種控制接口選項(xiàng)，方便與不同的控制器電路進(jìn)行連接。此外，DRV8703-Q1還配備了用于配置的串行接口，增加了使用的靈活性。

3. 智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)

采用智能柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)的壓擺率控制，能獨(dú)立控制每個(gè)H橋。支持1.8V、3.3V和5V的邏輯輸入，并且集成了電流分流放大器和PWM電流調(diào)節(jié)功能，還具備低功耗睡眠模式，有效降低了系統(tǒng)的功耗。

4. 全面的保護(hù)機(jī)制

具備多種保護(hù)特性，如電源欠壓鎖定（UVLO）、電荷泵欠壓（CPUV）鎖定、過(guò)流保護(hù)（OCP）、柵極驅(qū)動(dòng)器故障（GDF）、熱關(guān)斷（TSD）以及看門狗定時(shí)器（DRV8703-Q1）等，同時(shí)還設(shè)有故障條件輸出（nFAULT），能及時(shí)反饋故障信息，保護(hù)器件和系統(tǒng)的安全。

二、廣泛應(yīng)用場(chǎng)景

DRV870x-Q1適用于多種汽車應(yīng)用場(chǎng)景，如電動(dòng)窗升降、天窗、座椅、滑動(dòng)門、后備箱和尾門等的驅(qū)動(dòng)，還可用于繼電器替換。在一些有刷直流泵的應(yīng)用中也能發(fā)揮重要作用。

三、詳細(xì)規(guī)格參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

涵蓋了電源電壓、電荷泵電壓、控制引腳電壓等多個(gè)參數(shù)的最大額定值，例如電源電壓VM的范圍是 -0.3 至 47V，控制引腳電壓的范圍是 -0.3 至 5.75V等。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)，以確保器件的安全運(yùn)行。

2. ESD 評(píng)級(jí)

其人體模型（HBM）的ESD分類等級(jí)為2，帶電器件模型（CDM）的ESD分類等級(jí)為C4B，部分角引腳的ESD等級(jí)為 ±750V，這表明它具有一定的靜電防護(hù)能力，但在實(shí)際操作中仍需注意靜電防護(hù)措施。

3. 推薦工作條件

推薦的PWM信號(hào)頻率為100kHz，AVDD和DVDD的外部負(fù)載電流分別有相應(yīng)的限制，工作環(huán)境溫度范圍在 -40 至 125°C之間。在VREF電壓為0至約0.3V時(shí)仍可工作，但精度會(huì)有所下降，同時(shí)要注意功耗和熱限制。

4. 熱信息

給出了結(jié)到環(huán)境的熱阻等熱信息，如32引腳的RHB（VQFN）封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻為32.9°C/W，這對(duì)于散熱設(shè)計(jì)非常重要，工程師需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的散熱布局。

5. 電氣特性

詳細(xì)列出了電源、控制輸入、控制輸出、柵極驅(qū)動(dòng)器等方面的電氣特性參數(shù)，如VM工作電壓在5.5至45V時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)器功能正常，在4.5至45V時(shí)邏輯功能正常；VM工作電源電流在不同條件下有不同的值等。這些參數(shù)為電路設(shè)計(jì)提供了精確的參考。

6. SPI 時(shí)序要求

對(duì)于DRV8703-Q1的SPI通信，規(guī)定了時(shí)鐘周期、時(shí)鐘高時(shí)間、時(shí)鐘低時(shí)間等多個(gè)時(shí)序參數(shù)，確保SPI通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

7. 開關(guān)特性

包括睡眠時(shí)間、喚醒時(shí)間、導(dǎo)通時(shí)間等開關(guān)特性參數(shù)，如睡眠時(shí)間nSLEEP置低到進(jìn)入睡眠模式為100μs，這些參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的響應(yīng)速度和性能有重要影響。

四、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

1. 整體概述

DRV870x-Q1是單H橋驅(qū)動(dòng)器，控制四個(gè)外部NMOS FET來(lái)驅(qū)動(dòng)雙向有刷直流電機(jī)，也可在獨(dú)立半橋模式下驅(qū)動(dòng)兩個(gè)單向有刷直流電機(jī)。支持5.5V至45V的電源電壓，通過(guò)nSLEEP引腳可開啟低功耗睡眠模式。采用智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，減少了離散電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的元件數(shù)量。

2. 功能框圖

從功能框圖可以看出，它包含了電源、柵極驅(qū)動(dòng)器、電荷泵、邏輯電路、電流調(diào)節(jié)等多個(gè)部分。電源部分為整個(gè)器件提供能量，柵極驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET，電荷泵用于產(chǎn)生高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電壓，邏輯電路負(fù)責(zé)控制信號(hào)的處理，電流調(diào)節(jié)部分則用于限制電機(jī)的電流。

3. 特性詳細(xì)描述

3.1 外部組件推薦

推薦了一些外部組件，如在DVDD、AVDD、IDRIVE、VDS等引腳需要連接相應(yīng)的陶瓷電容器，在nFAULT、nWDFLT等引腳需要連接上拉電阻，在VDRAIN和VM引腳之間可連接100Ω的串聯(lián)電阻等。這些外部組件的選擇和連接對(duì)于器件的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

3.2 橋控制

通過(guò)不同的控制接口（PH和EN、獨(dú)立PWM、標(biāo)準(zhǔn)PWM）可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)、高阻等不同狀態(tài)的控制。例如，在PH和EN控制接口中，通過(guò)IN1/PH和IN2/EN的不同組合可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的不同運(yùn)行模式。

3.3 電流調(diào)節(jié)

采用固定關(guān)斷時(shí)間的PWM電流調(diào)節(jié)或電流斬波來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)繞組的最大電流。當(dāng)電流達(dá)到斬波閾值時(shí)，橋進(jìn)入制動(dòng)（低側(cè)慢衰減）模式，直到關(guān)斷時(shí)間結(jié)束。通過(guò)VREF引腳的電壓和分流放大器的增益可以計(jì)算出斬波電流。

3.4 放大器輸出

SO引腳輸出的模擬電壓與SP和SN引腳之間的電壓乘以放大器增益成正比，可用于計(jì)算H橋的電流。在制動(dòng)模式下，SO引腳不代表電機(jī)電流。

3.5 柵極驅(qū)動(dòng)器

內(nèi)部的柵極驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET，高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)由電荷泵提供，低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)由內(nèi)部穩(wěn)壓器產(chǎn)生。通過(guò)IDRIVE引腳或IDRIVE寄存器可以調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)器的峰值驅(qū)動(dòng)電流，從而改變輸出壓擺率。

3.6 死區(qū)時(shí)間和傳播延遲

死區(qū)時(shí)間是指H橋FET關(guān)斷和導(dǎo)通之間SHx引腳處于高阻狀態(tài)的時(shí)間，它與IDRIVE電阻設(shè)置有關(guān)。傳播延遲時(shí)間是指輸入邊沿到輸出變化的時(shí)間，由輸入去毛刺器和輸出壓擺延遲兩部分組成。

3.7 過(guò)流VDS監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)每個(gè)外部FET的VDS電壓，當(dāng)超過(guò)OCP閾值電壓且OCP去毛刺時(shí)間結(jié)束后，檢測(cè)到過(guò)流情況。通過(guò)改變VDS引腳的電阻或設(shè)置VDS寄存器可以調(diào)節(jié)OCP閾值電壓。

3.8 電荷泵

集成的電荷泵為高側(cè)NMOS提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓，需要在VM和VCP引腳之間連接電容，在CPH和CPL引腳之間連接低ESR陶瓷電容。根據(jù)VM電壓的不同，電荷泵有不同的工作模式。

3.9 柵極驅(qū)動(dòng)鉗位

通過(guò)鉗位結(jié)構(gòu)將柵極驅(qū)動(dòng)輸出電壓限制在VC(GS)電壓，保護(hù)功率FET不受損壞。

3.10 保護(hù)電路

具備多種保護(hù)電路，如VM欠壓鎖定、邏輯欠壓、VCP欠壓鎖定、過(guò)流保護(hù)、柵極驅(qū)動(dòng)器故障、熱關(guān)斷、看門狗故障等。不同的故障會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的輸出變化和保護(hù)動(dòng)作，當(dāng)故障消除后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)相應(yīng)的條件恢復(fù)正常運(yùn)行。

五、編程與寄存器配置

1. SPI 通信

DRV8703-Q1采用SPI進(jìn)行通信，工作在從模式。SPI輸入數(shù)據(jù)字為16位，包括5位命令、3位無(wú)關(guān)位和8位數(shù)據(jù)；輸出數(shù)據(jù)字為8位寄存器數(shù)據(jù)。通信需要滿足一定的條件，如時(shí)鐘極性和相位的設(shè)置、SCLK和nSCS引腳的狀態(tài)要求等。

2. 寄存器映射

包括狀態(tài)寄存器和控制寄存器。狀態(tài)寄存器用于報(bào)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，可讀寫。不同的寄存器有不同的功能和位定義，例如FAULT狀態(tài)寄存器可以反映多種故障信息，IDRIVE和WD控制寄存器可以設(shè)置死區(qū)時(shí)間、看門狗使能和IDRIVE等參數(shù)。

六、應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐

1. 典型應(yīng)用

以DRV8702-Q1為例，其典型應(yīng)用電路包括電源輸入、電機(jī)連接、柵極驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)等部分。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的外部組件，如FET、電容、電阻等。

2. 設(shè)計(jì)步驟

2.1 外部FET選擇

根據(jù)電荷泵容量和PWM輸出頻率來(lái)選擇合適的FET。在不同的工作模式下，可使用不同的公式計(jì)算FET的驅(qū)動(dòng)容量，例如在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)（慢衰減）為主要模式時(shí)，可使用Qg < VCP / f(PWM) 來(lái)計(jì)算。

2.2 IDRIVE配置

根據(jù)FET的柵極電荷和期望的上升時(shí)間來(lái)選擇IDRIVE值。通過(guò)計(jì)算最小和最大IDRIVE值，在兩者之間選擇合適的值，并根據(jù)該值確定IDRIVE引腳連接的電阻。

2.3 VDS配置

根據(jù)FET的最大電流和RDS(on)來(lái)配置VDS監(jiān)測(cè)閾值電壓。通過(guò)計(jì)算FET的漏源電壓，選擇合適的VDS(OCP)值，并通過(guò)VDS引腳或VDS寄存器進(jìn)行設(shè)置。

2.4 電流斬波配置

根據(jù)期望的斬波電流和分流放大器的增益，選擇合適的感測(cè)電阻和VREF引腳電壓。通過(guò)公式計(jì)算出所需的參數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

3. 電源供應(yīng)與布局

3.1 電源推薦

DRV8702-Q1的輸入電壓供應(yīng)范圍為5.5V至45V，需要在VM引腳附近放置0.1μF的陶瓷電容和至少10μF的大容量電容，同時(shí)還需要為外部H橋FET提供額外的大容量電容。

3.2 布局準(zhǔn)則

在布局時(shí)，要將VM引腳用低ESR陶瓷旁路電容旁路到地，CPL和CPH引腳之間、VM和VCP引腳之間都要放置合適的電容。AVDD和DVDD引腳也要用陶瓷電容旁路到地。SP和SN引腳要用單獨(dú)的走線連接到感測(cè)電阻。

七、總結(jié)與思考

DRV870x-Q1系列柵極驅(qū)動(dòng)器為電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)提供了豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)。其智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)、全面的保護(hù)機(jī)制以及多種控制接口，使得它在汽車和其他相關(guān)應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們還需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，仔細(xì)考慮外部組件的選擇、布局設(shè)計(jì)、熱管理等問(wèn)題，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。希望本文能為廣大電子工程師在使用DRV870x-Q1進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有價(jià)值的參考和思路。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。