DRV10964：高效低噪的三相無傳感器BLDC電機驅(qū)動器

在電機驅(qū)動領(lǐng)域，高效、低噪且集成度高的驅(qū)動器一直是工程師們追求的目標。今天，我們就來詳細探討德州儀器（TI）推出的DRV10964，一款專為高性能電機驅(qū)動應(yīng)用設(shè)計的三相無傳感器電機驅(qū)動器。

文件下載：drv10964.pdf

一、產(chǎn)品概述

DRV10964是一款集成了功率MOSFET的三相無傳感器電機驅(qū)動器，專為高效率、低噪音和低外部元件數(shù)量的電機驅(qū)動應(yīng)用而設(shè)計。其采用專有的無傳感器無窗口180°正弦控制方案，能有效減少電感應(yīng)轉(zhuǎn)矩脈動，實現(xiàn)超靜音電機運行。

主要特性

• 寬輸入電壓范圍：2.1至5.5 V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 大輸出電流：具備500 - mA輸出電流能力，可驅(qū)動多種類型的電機。
• 低靜態(tài)電流：睡眠模式下典型靜態(tài)電流僅15 μA，有助于降低功耗。
• 低導(dǎo)通電阻：總驅(qū)動器H + L Rdson小于1.5 Ω，減少功率損耗。
• 多重保護功能：包含電流限制、短路電流保護、鎖定檢測、抗電壓浪涌（AVS）、欠壓鎖定（UVLO）和熱關(guān)斷等功能，確保系統(tǒng)安全可靠運行。

應(yīng)用領(lǐng)域

該驅(qū)動器適用于多種散熱風(fēng)扇應(yīng)用，如筆記本CPU風(fēng)扇、游戲站CPU風(fēng)扇和ASIC冷卻風(fēng)扇等。

二、產(chǎn)品詳細參數(shù)

絕對最大額定值

• 結(jié)溫范圍：–40至150 °C。
• 最大引腳焊接溫度（10秒）：260 °C。
• 存儲溫度范圍：–55至150 °C。

ESD額定值

• 人體模型（HBM）：±2500 V。
• 充電設(shè)備模型（CDM）：±1000 V。

推薦工作條件

• 結(jié)溫范圍：–40至125 °C。
• 結(jié)到外殼（底部）熱阻：2.9 °C/W。

電氣特性

三、功能特性詳解

睡眠模式

當PWM命令占空比輸入低于0.38%但不為0%時，相位輸出將進入高阻抗狀態(tài)，驅(qū)動器停止驅(qū)動電機，但邏輯仍保持活躍，電流消耗為IVCC。當PWM命令占空比輸入為0%（且持續(xù)時間至少為tSLEEP）時，驅(qū)動器進入低功耗睡眠模式，大部分電路將被禁用，以最小化系統(tǒng)電流，此時電流消耗為IVCC_SLEEP。當PWM命令占空比輸入變?yōu)檫壿嫺呋騊WM輸入引腳浮空時，驅(qū)動器將從睡眠模式恢復(fù)。

速度輸入和控制

DRV10964提供三相25 - kHz PWM輸出，其平均電壓為正弦波。輸出幅度由電源電壓（VCC）和PWM占空比決定，公式為Vph_pk = PWMdc × VCC。電機速度通過PWM命令間接控制施加到電機的相電壓幅度來實現(xiàn)。

電機方向改變

通過設(shè)置FR（正反轉(zhuǎn)）引腳的邏輯電平為1或0，可輕松配置驅(qū)動器驅(qū)動電機的方向。FR = 0時，電機方向為U -> V -> W；FR = 1時，電機方向為U -> W -> V。

電機頻率反饋（FG）

在驅(qū)動器運行期間，F(xiàn)G引腳提供電機速度指示。電機速度計算公式根據(jù)FGS引腳狀態(tài)而定：若FGS = 0，RPM = (FREQFG × 60) / 極對數(shù)；若FGS = 1，RPM = (FREQFG × 60 × 3) / 極對數(shù)。FG引腳還具備短路保護功能。

鎖定檢測

當電機因外部因素鎖定時，DRV10964能檢測到鎖定狀況，并采取措施保護電機和驅(qū)動器。它具有5種不同的鎖定檢測方案，包括無電機檢測、頻率溢出檢測、反電動勢異常檢測、加速異常檢測和速度異常檢測。

短路電流保護

當任何電機相電流超過短路保護限制ISHT時，短路電流保護功能將電機相置于高阻抗狀態(tài)，關(guān)閉電機驅(qū)動。在短路條件消除后，驅(qū)動器將重新初始化并嘗試重啟電機。

抗電壓浪涌（AVS）

該功能可防止電機中的電感能量或角動量（機械能）返回電源，保護驅(qū)動器和其他連接到電源的組件。它分為保護機械能返回和保護電感能量返回兩種情況。

過溫保護

當器件結(jié)溫超過TSD時，熱關(guān)斷功能將禁用電機操作；當結(jié)溫低于TSD - TSD_HYS時，電機操作將恢復(fù)。

欠壓保護

欠壓鎖定功能可防止在電源電壓（VCC）過低時電機運行。上電后，當VCC高于VUVLO_H時，驅(qū)動器開始工作；當VCC低于VUVLO_L時，驅(qū)動器停止工作。

CONFIG配置

CONFIG引腳可通過連接VCC和GND之間的電阻分壓器來選擇開環(huán)到閉環(huán)的閾值。

四、設(shè)備功能模式

啟動設(shè)置

• 電機Kt和Rm測量：在電機初始啟動期間測量電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)和電阻，用于控制電機時序。
• 電機啟動：按照特定程序啟動電機，包括初始速度檢測、對齊、開環(huán)加速和閉環(huán)控制等階段。
• 初始速度檢測（ISD）：通過相比較器檢測電機反電動勢電壓的過零情況，確定電機的初始狀態(tài)。
• 對齊：通過在V和W相施加50%占空比，同時將U相接地，使轉(zhuǎn)子與換向邏輯對齊。
• 切換和閉環(huán)控制：當電機加速到由CONFIG引腳電壓定義的速度時，換向控制從開環(huán)模式過渡到閉環(huán)模式。

五、應(yīng)用與實現(xiàn)

典型應(yīng)用

DRV10964常用于無傳感器三相BLDC電機控制，為計算機風(fēng)扇應(yīng)用提供高性能、高可靠性、靈活且簡單的解決方案。典型應(yīng)用電路包括VCC、PWM、FG、CONFIG、FGS、FR等引腳的連接。

設(shè)計要求

DRV10964能夠驅(qū)動的電機具有一定的特性范圍，如電機相電阻Rm為2.5 - 10 Ω，相電感Lm為50 - 1000 μH，反電動勢常數(shù)Kt為1 - 100 mV/Hz，最大電氣頻率fFG_max為1300 Hz。但這并不意味著超出這些范圍的電機不能被驅(qū)動。

詳細設(shè)計步驟

1. 確保系統(tǒng)滿足推薦應(yīng)用范圍。
2. 參考DRV10964調(diào)諧指南，測量電機參數(shù)。
3. 使用DRV10964 GUI配置參數(shù)，優(yōu)化電機運行。
4. 根據(jù)布局指南構(gòu)建硬件。
5. 將設(shè)備連接到系統(tǒng)并驗證系統(tǒng)解決方案。

六、電源與布局建議

電源建議

DRV10964設(shè)計用于2.1至5.5 V的輸入電壓供應(yīng)，用戶應(yīng)在VCC和GND引腳附近盡可能靠近地放置一個2.2 - μF的陶瓷電容。

布局指南

該器件采用外露焊盤散熱，為確保正常工作，需將焊盤與PCB上的銅層進行熱連接。在多層PCB上，可通過添加過孔將熱焊盤連接到接地層；在無內(nèi)部平面的PCB上，可在PCB兩側(cè)添加銅面積散熱。

七、總結(jié)

DRV10964憑借其豐富的功能特性、良好的電氣性能和靈活的應(yīng)用模式，為電機驅(qū)動應(yīng)用提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際設(shè)計中，工程師們可以根據(jù)具體需求，合理配置參數(shù)，優(yōu)化電路布局，以實現(xiàn)高效、可靠的電機驅(qū)動系統(tǒng)。大家在使用DRV10964的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有什么獨特的應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享交流。