DRV8316C-Q1：集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的深度解析

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，集成度高、功能豐富的芯片往往能為工程師帶來(lái)更多便利。TI公司的DRV8316C-Q1就是這樣一款值得關(guān)注的產(chǎn)品，它專為三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，集成了多種功能，能有效減少系統(tǒng)組件數(shù)量、降低成本和復(fù)雜度。下面，我們就來(lái)詳細(xì)了解一下這款芯片。

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產(chǎn)品概述

基本信息

DRV8316C-Q1有DRV8316CR-Q1和DRV8316CT-Q1兩個(gè)型號(hào)，均采用0.5-mm引腳間距的VQFN表面貼裝封裝，尺寸為7 mm × 5 mm。它集成了三個(gè)半橋MOSFET、柵極驅(qū)動(dòng)器、電荷泵、電流感應(yīng)放大器、線性穩(wěn)壓器和降壓穩(wěn)壓器，適用于三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

主要特性

• 集成度高：將多種功能集成于一體，減少了外部組件的使用，降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。
• SPI接口與硬件接口可選：提供SPI接口和硬件接口兩種配置方式，用戶可以根據(jù)需求選擇，具有較高的靈活性。
• 豐富的保護(hù)功能：具備電源欠壓鎖定（UVLO）、電荷泵欠壓鎖定（CPUV）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、AVDD欠壓鎖定（AVDD_UV）、降壓穩(wěn)壓器UVLO以及過(guò)熱警告和關(guān)斷（OTW和OTSD）等保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

功能模塊詳解

功能框圖

DRV8316C-Q1的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括預(yù)驅(qū)動(dòng)器級(jí)、輸入控制、電荷泵、線性穩(wěn)壓器、降壓穩(wěn)壓器、電流感應(yīng)放大器、保護(hù)電路等部分。各部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制。

PWM控制模式

DRV8316C-Q1支持三種PWM控制模式：

• 6x PWM模式：每個(gè)半橋支持低、高或高阻抗（Hi-Z）三種輸出狀態(tài)。
• 3x PWM模式：INHx引腳控制每個(gè)半橋，支持低或高兩種輸出狀態(tài)，INLx引腳用于將半橋置于Hi-Z狀態(tài)。
• 電流限制模式：使用電流限制比較器進(jìn)行電流限制，比較器輸入由三個(gè)電流感應(yīng)放大器的輸出產(chǎn)生。

接口模式

SPI接口

SPI接口允許外部微控制器與DRV8316C-Q1進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可配置設(shè)備設(shè)置并讀取詳細(xì)的故障信息。SPI接口使用SCLK、SDI、SDO和nSCS四個(gè)引腳，數(shù)據(jù)傳輸遵循特定的時(shí)序和格式要求。

硬件接口

硬件接口通過(guò)GAIN、SLEW、MODE和OCP四個(gè)電阻可配置輸入引腳來(lái)配置關(guān)鍵設(shè)備設(shè)置，無(wú)需SPI總線，可通過(guò)nFAULT引腳獲取一般故障信息。

降壓調(diào)節(jié)器

DRV8316C-Q1集成了混合模式降壓調(diào)節(jié)器，可提供3.3-V或5.0-V的穩(wěn)壓電源，也可配置為4.0-V或5.7-V以支持外部LDO。降壓調(diào)節(jié)器具有低靜態(tài)電流，采用脈沖頻率電流模式控制方案，可提高線路和負(fù)載瞬態(tài)性能。

電荷泵

由于輸出級(jí)使用N溝道FET，DRV8316C-Q1需要一個(gè)高于VM電源的柵極驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)充分增強(qiáng)高端FET。芯片集成了電荷泵電路，通過(guò)兩個(gè)外部電容器工作，當(dāng)nSLEEP為低電平時(shí)，電荷泵關(guān)閉。

壓擺率控制

通過(guò)調(diào)整半橋MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)壓擺率控制。壓擺率可通過(guò)SLEW引腳或SPI中的SLEW位進(jìn)行調(diào)整，提供25-V/μs、50-V/μs、125-V/μs或200-V/μs四種設(shè)置。

交叉?zhèn)鲗?dǎo)（死區(qū)時(shí)間）

DRV8316C-Q1通過(guò)插入死區(qū)時(shí)間（tdead）來(lái)避免MOSFET的交叉?zhèn)鲗?dǎo)，通過(guò)檢測(cè)高端和低端MOSFET的柵源電壓來(lái)確保在切換時(shí)避免直通事件。

傳播延遲

傳播延遲時(shí)間（tpd）是指輸入邏輯邊沿到柵極驅(qū)動(dòng)器電壓變化之間的時(shí)間，包括數(shù)字輸入去毛刺延遲、模擬驅(qū)動(dòng)器和比較器延遲。SPI變體的DRV8316C-Q1支持驅(qū)動(dòng)延遲補(bǔ)償功能，可減少電流測(cè)量定時(shí)的不確定性和占空比失真。

寄存器映射

DRV8316C-Q1的寄存器分為狀態(tài)寄存器和控制寄存器。狀態(tài)寄存器用于反映設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，如故障狀態(tài)、SPI故障、過(guò)流保護(hù)狀態(tài)等；控制寄存器用于配置設(shè)備的各種參數(shù)，如PWM模式、壓擺率、過(guò)流保護(hù)模式等。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用信息

DRV8316C-Q1可用于驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電機(jī)電壓、有源去磁、驅(qū)動(dòng)傳播延遲和死區(qū)時(shí)間、延遲補(bǔ)償、降壓調(diào)節(jié)器的使用以及電流傳感和輸出濾波等因素。

典型應(yīng)用

三相無(wú)刷直流電機(jī)控制

在三相無(wú)刷直流電機(jī)控制應(yīng)用中，需要根據(jù)電機(jī)的額定電壓、電流、PWM頻率等參數(shù)來(lái)配置DRV8316C-Q1。有源去磁功能可減少功率損耗，延遲補(bǔ)償功能可提高輸出PWM的時(shí)序匹配度。

三相無(wú)刷直流電機(jī)控制（帶電流限制）

此應(yīng)用中，可通過(guò)ILIM引腳設(shè)置逐周期電流限制，使用內(nèi)部PWM脈沖監(jiān)測(cè)電流。在100% PWM占空比輸入時(shí)，可通過(guò)配置PWM_100_DUTY_SEL來(lái)設(shè)置內(nèi)部PWM脈沖的頻率。

有刷直流電機(jī)和螺線管負(fù)載

DRV8316C-Q1可配置為驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)和螺線管負(fù)載，需要根據(jù)負(fù)載的額定電流等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三個(gè)螺線管負(fù)載

同樣可使用DRV8316C-Q1驅(qū)動(dòng)三個(gè)螺線管負(fù)載，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮負(fù)載的額定電流等因素。

電源供應(yīng)建議

大容量電容

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，合適的本地大容量電容至關(guān)重要。其容量大小取決于電機(jī)系統(tǒng)的最高電流需求、電源的電容和電流能力、電源與電機(jī)系統(tǒng)之間的寄生電感、可接受的電壓紋波、電機(jī)類型和制動(dòng)方法等因素。

布局設(shè)計(jì)

布局指南

• 大容量電容應(yīng)盡量靠近電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，以減小高電流路徑的距離，連接金屬走線應(yīng)盡量寬，并使用多個(gè)過(guò)孔連接PCB層，以減小電感。
• 小值電容（如電荷泵、AVDD和VREF電容）應(yīng)使用陶瓷電容，并靠近設(shè)備引腳放置。
• 高電流設(shè)備輸出應(yīng)使用寬金屬走線。
• 為減少大瞬態(tài)電流對(duì)小電流信號(hào)路徑的噪聲耦合和EMI干擾，應(yīng)將PGND和AGND進(jìn)行分區(qū)接地。
• 設(shè)備散熱墊應(yīng)焊接到PCB頂層接地平面，并使用多個(gè)過(guò)孔連接到底層大接地平面，以提高散熱性能。
• 分離SW_BK和FB_BK走線，以減少降壓開(kāi)關(guān)對(duì)降壓外部反饋環(huán)路的噪聲耦合，盡量加寬FB_BK走線以實(shí)現(xiàn)更快的負(fù)載切換。

熱考慮

DRV8316C-Q1具有熱關(guān)斷（TSD）功能，當(dāng)芯片溫度超過(guò)165°C（最小值）時(shí)，設(shè)備將被禁用，直到溫度降至安全水平。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮功率損耗，包括待機(jī)功率損耗、LDO和降壓功率損耗、FET傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗以及二極管損耗等。

總結(jié)

DRV8316C-Q1是一款功能強(qiáng)大、集成度高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有多種控制模式和豐富的保護(hù)功能。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理配置芯片參數(shù)，優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。同時(shí)，要注意電源供應(yīng)和散熱等問(wèn)題，以充分發(fā)揮芯片的優(yōu)勢(shì)。你在使用DRV8316C-Q1芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。