汽車級驅(qū)動芯片 DRV81602-Q1 開發(fā)指南

在電子工程師的日常工作中，汽車電子領域的硬件設計一直是個充滿挑戰(zhàn)與機遇的舞臺。今天，咱們就來深入聊聊德州儀器（TI）推出的 8 通道、40V、700mΩ、具備全面保護功能且可配置的低側(cè)和高側(cè)驅(qū)動器——DRV81602-Q1。

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核心特性

1. 汽車級認證與安全設計

這顆芯片通過了 AEC - Q100 汽車應用認證，溫度等級為 1，可在 - 40°C 至 + 125°C 的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作。而且它具備功能安全能力，還提供相關文檔來輔助功能安全設計，這對于對安全性要求極高的汽車電子應用來說，無疑是一顆“定心丸”。

2. 靈活的電源設計

- **模擬電源**：支持 3V 至 40V 的模擬電源電壓，即使在低至 3V 的啟動電壓下也能正常工作，完全符合 LV124 汽車標準。
- **數(shù)字電源**：數(shù)字電源電壓范圍為 3V 至 5.5V，與 3.3V 和 5V 的微控制器都能完美兼容。

3. 強大的保護與診斷功能

- **保護特性**：涵蓋了多種保護功能，如反接電池保護、對地和電池短路保護、欠壓穩(wěn)定工作、過流鎖斷、過溫警告、熱關斷鎖斷、過壓保護以及電池和接地丟失保護等。
- **診斷特性**：可通過 SPI 寄存器提供診斷信息，包括導通狀態(tài)下的過載檢測、導通和關斷狀態(tài)下的開路負載檢測以及輸入和輸出狀態(tài)監(jiān)測。

4. 獨特的功能設計

- **雙并行輸入與映射功能**：擁有兩個帶有映射功能的并行輸入，可在跛行回家模式下實現(xiàn)故障安全激活。
- **PWM 與 BIM 模式**：集成兩個獨立的內(nèi)部 PWM 發(fā)生器，可用于驅(qū)動 LED；還具備燈泡浪涌模式（BIM），適用于驅(qū)動 2W/5W 燈泡和其他電容性負載。
- **低電流睡眠模式**：當 (T_J ≤85^{circ}C) 時，睡眠模式電流小于 3μA，有效降低功耗。
- **SPI 通信**：采用 16 位 SPI 進行控制和診斷，支持菊花鏈連接，還能與 8 位 SPI 設備兼容。

應用領域

DRV81602 - Q1 的應用范圍非常廣泛，特別適用于汽車和工業(yè)領域。例如，在汽車的區(qū)域控制模塊（ZCM）、車身控制模塊（BCM）、汽車照明系統(tǒng)、汽油和柴油發(fā)動機控制以及車輛控制單元（VCU）等應用場景中都能發(fā)揮重要作用，同時也可用于可編程邏輯控制器（PLC）。

技術參數(shù)分析

1. 電氣特性

- 絕對最大額定值：涵蓋了各種電壓、電流和溫度的極限值。比如模擬電源電壓 (V_M) 范圍為 - 0.3V 至 42V，數(shù)字電源電壓 (V_{DD}) 范圍為 - 0.3V 至 5.75V 等。操作超出這些絕對最大額定值可能會導致設備永久性損壞，所以在設計時一定要嚴格遵守。
- ESD 額定值：給出了不同引腳的靜電放電（ESD）額定值，如 OUT 引腳相對于 VM 或 GND 的人體模型（HBM）為 ± 4000V，其他引腳為 ± 2000V 等，這有助于我們在設計中考慮 ESD 防護措施。
- 推薦工作條件：包括正常工作的電源電壓范圍、邏輯電源電壓、控制和 SPI 輸入電壓以及環(huán)境溫度等。例如，正常工作時 (V_{M_NOR}) 為 4V 至 40V， (V_{DD}) 為 3V 至 5.5V。

2. 典型特性

- 文檔中給出了多個典型特性圖表，如不同溫度和電源電壓下的空閑模式和活動模式電源電流、開關導通電阻、漏源鉗位電壓、過流保護閾值等。這些圖表能幫助我們直觀地了解芯片在不同條件下的性能表現(xiàn)，為設計提供重要參考。

詳細設計解析

1. 引腳配置與功能

芯片采用 24 引腳 HTSSOP（PWP）封裝，每個引腳都有其特定的功能。比如，VM 引腳為功率級和保護電路提供模擬電源電壓，VDD 引腳為 SPI 提供數(shù)字電源電壓，nSCS 引腳為串行芯片選擇等。在進行 PCB 設計時，我們要根據(jù)引腳功能合理布局，確保信號傳輸穩(wěn)定。

2. 工作模式

芯片具有睡眠模式、空閑模式、活動模式和跛行回家模式四種工作模式。模式的轉(zhuǎn)換由 nSLEEP 引腳邏輯電平、INx 引腳邏輯電平、ENx 位狀態(tài)、ACT 位狀態(tài)以及 EN_PWM0 和 EN_PWM1 位狀態(tài)等因素決定。不同的工作模式下，芯片的電流消耗、通道控制和 SPI 通信等功能會有所不同，我們需要根據(jù)實際應用場景合理選擇工作模式。

3. 電源管理

芯片由 (VM)（模擬電源電壓）和 (V{DD})（數(shù)字電源電壓）供電。當 (VM) 電壓下降到 (V{DD}) 電壓以下時，VDD 引腳的電流消耗會增加。同時， (VM) 和 (V{DD}) 都有欠壓檢測電路，欠壓會影響電源級的激活和 SPI 通信。在設計電源電路時，要確保電源的穩(wěn)定性，避免欠壓情況對芯片造成不良影響。

4. 功率級設計

DRV81602 - Q1 采用 N 溝道 MOSFET 構(gòu)建功率級，有 6 個可自動配置的通道，既可以作為低側(cè)開關，也可以作為高側(cè)開關。在配置時，要根據(jù)負載的連接方式自動調(diào)整診斷和保護功能。

• 開關電阻負載：默認開關轉(zhuǎn)換速率為 1.3V/μs，可通過配置寄存器 2 中的 SR 位將其提高到 2.5V/μs。
• 電感輸出鉗位：在關閉電感負載時，功率開關兩端的電壓會上升到 (V{DS_CL}) 電位，輸出引腳電壓不能低于 (V{OUT_S_CL})，通過電壓鉗位來防止設備損壞。
• 最大負載電感：電感負載退磁時，磁能會在芯片中耗散，最大能量轉(zhuǎn)換為熱量受芯片熱設計限制。
• 反向電流行為：在反向電流情況下，受影響的通道可能會保持導通或關斷狀態(tài)，可能會導致 ERRx 位設置，并且會對部分參數(shù)產(chǎn)生影響，但不影響其他通道的基本功能。不過要注意，反向電流時沒有溫度保護和過載保護機制，可能會導致芯片溫度升高。
• 并聯(lián)通道開關：在短路情況下，并聯(lián)通道可能會異步關斷，可通過 SPI 寄存器配置相鄰通道的并行操作，使最快響應的通道在過載或過溫時同時關閉另一個通道。
• 燈泡浪涌模式（BIM）：當驅(qū)動電容性負載時，開關導通后的浪涌電流可能會使通道過載鎖斷。設置 BIMx 位為 1b 后，通道在達到過載電流或過溫閾值鎖斷后，會在 (t_{INRUSH}) 時間后自動重啟，允許負載度過浪涌階段。
• 集成 PWM 發(fā)生器：芯片有兩個獨立的集成 PWM 發(fā)生器，可分配給一個或多個通道，并可設置不同的占空比和頻率。通過 FPWM 位可以調(diào)整內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的基本頻率 (f_{INT})，每個 PWM 發(fā)生器還可設置占空比、頻率、通道輸出控制和映射寄存器。

5. 保護與診斷功能

- **欠壓保護**：當 (V_M) 電壓在 (V_{M_UVLO}) 和 (V_{M_OP}) 之間時，欠壓機制會觸發(fā)，邏輯會設置 UVRVM 位。當 (V_M) 高于 (V_{M_OP}) 時，在第一次標準診斷讀出后 UVRVM 位會清零。
- **過流保護**：有兩個過流閾值 (I_{L_OCP0}) 和 (I_{L_OCP1})，根據(jù) OCP 位的值而定。當負載電流超過閾值時，經(jīng)過 (t_{OFF_OCP}) 時間后，過載通道會關斷，同時 ERRx 位會設置。通過設置 CLRx 位為 1b 可以清除保護鎖存，重新開啟通道。
- **過溫保護**：每個通道都集成了溫度傳感器，當通道過熱時會自動關斷，ERRx 位會設置。同樣，通過設置 CLRx 位為 1b 可以清除保護鎖存，重新開啟通道。
- **過溫警告**：當芯片溫度超過過溫警告閾值（TOTW）時，配置寄存器 2 中的 OTW 位會設置，芯片繼續(xù)正常工作。當溫度低于滯后點（THYS_OTW）時，OTW 位會自動清零。
- **跛行回家模式下的保護**：在跛行回家模式下，通道 2 和 3 可通過輸入引腳開啟。在過流、短路或過溫情況下，通道會關斷。如果輸入引腳保持高電平，通道會按照一定的時間間隔重啟。
- **反極性保護**：在反極性（反向電池）情況下，低側(cè)通道和用作低側(cè)開關的可自動配置通道的體二極管會產(chǎn)生功率損耗，用作高側(cè)開關的可自動配置通道會導通以降低功率損耗。但要注意，此時沒有溫度保護和電流限制機制。
- **過壓保護**：在 (V_{M_SC}) 和 (V_{M_LD}) 之間的電源電壓下，輸出 MOSFET 仍可正常工作。除了電感負載的輸出鉗位外，還有一個過壓保護鉗位機制，用于監(jiān)測 VM 和 GND 引腳之間的電壓。
- **輸出狀態(tài)監(jiān)測**：芯片會比較每個通道的 (V_{DS}) 與 (V_{OSM})（低側(cè)開關配置）或 (V_{OUT_S}) 與 (V_{OSM})（高側(cè)開關配置），并相應設置 OSMx 位。可通過編程 IOLx 位啟用與功率開關并聯(lián)的診斷電流 (I_{OL})，用于關斷狀態(tài)下的開路負載檢測。
- **導通狀態(tài)下的開路負載檢測**：每個高側(cè)開關和用作高側(cè)開關的可自動配置通道都可以檢測導通狀態(tài)下的開路負載，通過編程 EN_OLON 位進行控制。有直接通道診斷和診斷循環(huán)兩種模式，可根據(jù)不同的設置更新 OLON 位。

6. SPI 通信

- **SPI 信號描述**：SPI 是一個全雙工同步串行從接口，使用 SDO、SDI、SCLK 和 nSCS 四條線。nSCS 引腳用于選擇設備，SCLK 引腳為內(nèi)部移位寄存器提供時鐘，SDI 引腳用于輸入數(shù)據(jù)，SDO 引腳用于輸出數(shù)據(jù)。
- **菊花鏈功能**：支持菊花鏈連接，多個設備可以通過相同的 nSCS 信號激活，SDI 線連接前一個設備的 SDO 線，形成一個鏈。
- **SPI 協(xié)議**：SPI 協(xié)議在微控制器觸發(fā)下，對命令幀的響應會在下一次傳輸中給出。在某些特殊情況下，如傳輸錯誤、電源復位或命令語法錯誤時，響應幀會有特殊處理。
- **SPI 寄存器**：包括標準診斷寄存器、輸出控制寄存器、燈泡浪涌模式寄存器等多個寄存器，每個寄存器都有其特定的功能和默認值。通過對這些寄存器的讀寫操作，可以實現(xiàn)對芯片的控制和狀態(tài)監(jiān)測。

應用與實現(xiàn)建議

1. 外部組件建議

為了確保芯片的正常工作和穩(wěn)定性，建議使用以下外部組件：

• 在 IN0、IN1 和 nSLEEP 引腳串聯(lián) 4.7kΩ 電阻，用于保護微控制器在過電壓和反極性情況下不受損壞，同時在接地丟失時保持輸出通道關閉。
• 在 nSCS、SCLK、SDI 和 SDO 引腳串聯(lián) 470Ω 電阻，同樣用于保護微控制器。
• 在 VDD 引腳串聯(lián) 100Ω 電阻和 100nF 旁路電容，用于邏輯電源電壓濾波。
• 在 VM 引腳并聯(lián) 68nF 旁路電容和 TVS3300 二極管，分別用于電池電壓濾波和過電壓保護。
• 可在每個 OUT 引腳并聯(lián) 10nF 電容，用于保護芯片免受 ESD 和 BCI 影響。

2. 布局指南

- 在布局時，要將 VM 引腳通過低 ESR 陶瓷旁路電容（推薦值 68nF）連接到 GND，電容要盡可能靠近 VM 引腳，并使用厚走線或接地平面連接到設備的 GND 引腳。
- VDD 引腳也需要通過低 ESR 陶瓷電容（推薦值 100nF，額定電壓 6.3V）接地，電容要靠近引腳放置。
- 要避免電源引腳和去耦電容之間產(chǎn)生電感，在芯片的 IN0、IN1、nSLEEP、nSCS、SCLK、SDI、SDO 和 VDD 引腳與微控制器的相應引腳之間串聯(lián)電阻。
- 芯片的散熱焊盤必須連接到系統(tǒng)接地，建議使用大的、連續(xù)的單一接地平面，可將其設置在 PCB 底層。從接地引腳到接地平面的走線要盡可能短而寬，并使用多個過孔以降低阻抗。同時，要盡量清理芯片周圍的空間，特別是 PCB 底層，以提高散熱效果。此外，單個或多個內(nèi)部接地平面連接到散熱焊盤也有助于散熱和降低熱阻。

總結(jié)

DRV81602 - Q1 是一款功能強大、性能穩(wěn)定且應用靈活的汽車級驅(qū)動芯片。它不僅具備豐富的保護和診斷功能，還能適應多種工作模式和應用場景。在實際設計中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇工作模式、配置引腳和寄存器，同時注重外部組件的選擇和 PCB 布局，以確保芯片能夠發(fā)揮出最佳性能。

各位電子工程師們，你們在使用類似芯片時遇到過哪些問題呢？又有哪些獨特的解決經(jīng)驗呢？歡迎在評論區(qū)分享交流！