DRV835x：三相智能柵極驅(qū)動器的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，為三相無刷直流（BLDC）電機(jī)應(yīng)用挑選合適的柵極驅(qū)動器至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的DRV835x系列柵極驅(qū)動器，看看它是如何在性能、功能和應(yīng)用方面展現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢的。

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一、DRV835x的核心特性

1. 寬電壓范圍與集成功能

DRV835x可在9至100V的電壓范圍內(nèi)工作，集成了多種實(shí)用功能。它具備可選的降壓調(diào)節(jié)器和三重低端電流分流放大器，為不同的應(yīng)用場景提供了更多的選擇。例如，在一些對電源效率要求較高的應(yīng)用中，集成的降壓調(diào)節(jié)器可以有效降低功耗；而電流分流放大器則能精確監(jiān)測電流，為電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

2. 智能柵極驅(qū)動架構(gòu)

這是DRV835x的一大亮點(diǎn)。它支持可調(diào)的壓擺率控制，能夠有效降低電磁干擾（EMI）。通過(V_{GS})握手和最小死區(qū)時間插入功能，可防止直通現(xiàn)象的發(fā)生，提高系統(tǒng)的安全性。此外，它還能提供50mA至1A的峰值源電流和100mA至2A的峰值灌電流，確保能夠驅(qū)動外部的N溝道功率MOSFET。

3. 集成電源與保護(hù)功能

在電源方面，DRV835x集成了高端倍壓電荷泵和低端線性穩(wěn)壓器，為柵極驅(qū)動器提供穩(wěn)定的電源。同時，它還具備多種保護(hù)功能，如VM欠壓鎖定（UVLO）、柵極驅(qū)動電源欠壓（GDUV）、MOSFET (V_{DS})過流保護(hù)（OCP）等，能夠有效保護(hù)器件和外部MOSFET，提高系統(tǒng)的可靠性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

DRV835x的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋了三相無刷直流（BLDC）電機(jī)模塊、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、泵、電動自行車、電動滑板車、無人機(jī)、機(jī)器人以及工廠自動化和紡織機(jī)器等多個領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，DRV835x能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為電機(jī)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

三、詳細(xì)功能解析

1. 三相智能柵極驅(qū)動器

DRV835x集成了三個半橋柵極驅(qū)動器，可驅(qū)動高端和低端N溝道功率MOSFET。它提供了四種不同的PWM控制模式，包括6x、3x、1x和獨(dú)立PWM模式，能夠滿足不同的換向和控制需求。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的電機(jī)類型和控制要求選擇合適的PWM模式。例如，在一些對控制精度要求較高的應(yīng)用中，6x PWM模式可能是更好的選擇；而在一些對電路簡化要求較高的應(yīng)用中，1x PWM模式則可以減少控制器的輸出引腳數(shù)量。

2. 設(shè)備接口模式

DRV835x支持SPI和硬件兩種接口模式。SPI接口模式提供了更靈活的配置方式，允許外部控制器通過SPI總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的詳細(xì)配置和故障信息讀取。硬件接口模式則更加簡單，通過固定的外部電阻即可配置常用的設(shè)置，適合對成本和復(fù)雜度要求較低的應(yīng)用。

3. 柵極驅(qū)動電源與輸入電源配置

高端柵極驅(qū)動電源采用倍壓電荷泵架構(gòu)，可將VCP輸出調(diào)節(jié)到(V_{VDRAIN }+10.5V)；低端柵極驅(qū)動電源則采用線性穩(wěn)壓器，將VGLS輸出調(diào)節(jié)到14.5V，并進(jìn)一步調(diào)節(jié)到11V。這種配置方式可以確保柵極驅(qū)動器在不同的電壓條件下都能正常工作。在實(shí)際設(shè)計中，我們可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇單電源或雙電源架構(gòu)。例如，在一些對電源效率要求較高的應(yīng)用中，雙電源架構(gòu)可以通過將VM連接到較低電壓的電源來提高效率。

4. 智能柵極驅(qū)動架構(gòu)

DRV835x的智能柵極驅(qū)動架構(gòu)通過IDRIVE和TDRIVE兩個組件實(shí)現(xiàn)對外部功率MOSFET的精確控制。IDRIVE可調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動電流，控制MOSFET (V_{DS})的壓擺率，從而優(yōu)化輻射發(fā)射和開關(guān)損耗。TDRIVE則提供自動死區(qū)時間插入、寄生dV/dt柵極導(dǎo)通防止和柵極故障檢測等功能，提高系統(tǒng)的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)外部MOSFET的參數(shù)和目標(biāo)上升、下降時間來選擇合適的IDRIVE和TDRIVE設(shè)置。例如，如果IDRIVE設(shè)置過低，可能會導(dǎo)致MOSFET無法在tDRIVE時間內(nèi)完全導(dǎo)通，從而引發(fā)柵極驅(qū)動故障。

5. 低側(cè)電流分流放大器

DRV8353和DRV8353R集成了三個雙向電流分流放大器，可用于監(jiān)測外部半橋的電流水平。這些放大器支持可編程增益、偏移校準(zhǔn)、雙向和單向支持以及電壓參考引腳（VREF），為電流測量提供了更多的靈活性。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)目標(biāo)電流范圍、VREF參考電壓、分流電阻功率額定值和工作溫度范圍來選擇合適的增益設(shè)置和分流電阻值。例如，在一些對電流測量精度要求較高的應(yīng)用中，我們可以選擇較高的增益設(shè)置；而在一些對功率損耗要求較低的應(yīng)用中，我們可以選擇較低的增益設(shè)置。

6. 降壓調(diào)節(jié)器

DRV8350R和DRV8353R集成了一個350mA的降壓調(diào)節(jié)器（LM5008A），可用于為外部控制器或其他邏輯電路供電。該調(diào)節(jié)器采用恒定導(dǎo)通時間（COT）控制方案，具有VCC欠壓鎖定（UVLO）、柵極驅(qū)動欠壓鎖定、最大占空比限制器、智能電流限制關(guān)斷定時器、預(yù)充電開關(guān)和熱關(guān)斷等功能，為系統(tǒng)提供了全面的保護(hù)。在實(shí)際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的外部組件，如輸入電容、輸出電感和反饋電阻等，以確保降壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定運(yùn)行。

7. 柵極驅(qū)動器保護(hù)電路

DRV835x具備完善的保護(hù)電路，可防止VM欠壓、電荷泵和低端穩(wěn)壓器欠壓、MOSFET (V_{DS})過流、柵極驅(qū)動器短路和過溫等事件的發(fā)生。當(dāng)出現(xiàn)故障時，nFAULT引腳會被拉低，同時在SPI設(shè)備的寄存器中會記錄相應(yīng)的故障信息。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景選擇合適的保護(hù)模式，如鎖存關(guān)斷、自動重試、僅報告或禁用等。例如，在一些對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用中，我們可以選擇鎖存關(guān)斷模式，以確保在故障發(fā)生時能夠及時切斷電源，保護(hù)設(shè)備安全。

四、編程與寄存器映射

對于DRV835x的SPI設(shè)備，我們可以通過SPI總線對其進(jìn)行編程和配置。SPI輸入數(shù)據(jù)字由16位組成，包括5位命令和11位數(shù)據(jù)；輸出數(shù)據(jù)字由11位寄存器數(shù)據(jù)組成。寄存器映射包括狀態(tài)寄存器和控制寄存器，可用于報告警告和故障條件以及配置設(shè)備的各種參數(shù)。在實(shí)際編程過程中，我們需要仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊，了解每個寄存器的功能和使用方法，以確保正確配置設(shè)備。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用

文檔中給出了DRV8353R在單電源和雙電源模式下的典型應(yīng)用示例。在單電源模式下，VM和VDRAIN連接到同一電源；在雙電源模式下，VM可以連接到較低電壓的電源，以降低內(nèi)部功耗。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的電源模式，并合理配置外部組件，如電容、電阻和電感等，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 設(shè)計要點(diǎn)

在設(shè)計過程中，我們需要考慮多個方面的因素。例如，外部MOSFET的支持能力需要根據(jù)MOSFET的柵極電荷、VCP電荷泵容量、VGLS調(diào)節(jié)器容量和輸出PWM開關(guān)頻率來確定；IDRIVE的配置需要根據(jù)外部MOSFET的柵極 - 漏極電荷和目標(biāo)上升、下降時間來選擇；(V{DS})過流監(jiān)視器的配置需要根據(jù)最壞情況下的電機(jī)電流和外部MOSFET的(R{DS(on)})來確定。此外，還需要注意散熱設(shè)計，確保設(shè)備在正常工作時不會超過其熱額定值。在實(shí)際設(shè)計中，我們可以通過仿真和實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計的合理性，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

六、電源供應(yīng)與布局建議

1. 電源供應(yīng)

DRV835x可在9至75V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，需要在VM引腳附近放置一個0.1μF的陶瓷電容，并根據(jù)應(yīng)用需求添加適當(dāng)?shù)拇笕萘侩娙?。在?shí)際應(yīng)用中，我們需要選擇合適的電源，確保其能夠提供足夠的電流和穩(wěn)定的電壓。同時，還需要注意電源的濾波和去耦，以減少電源噪聲對設(shè)備的影響。

2. 布局建議

合理的布局對于提高設(shè)備的性能和可靠性至關(guān)重要。建議在VM引腳和GND引腳之間使用低ESR陶瓷旁路電容，并將其盡可能靠近設(shè)備；在CPL和CPH引腳之間放置一個47nF的陶瓷電容；在VCP和VDRAIN引腳以及VGLS和GND引腳之間放置一個1μF的陶瓷電容。此外，還需要注意布線的長度和寬度，盡量減少電感和電阻，以提高信號的傳輸質(zhì)量。在實(shí)際布局過程中，我們可以參考數(shù)據(jù)手冊中的布局指南，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。

七、總結(jié)

DRV835x系列柵極驅(qū)動器以其豐富的功能、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和出色的性能，為三相BLDC電機(jī)應(yīng)用提供了一個優(yōu)秀的解決方案。作為電子工程師，在設(shè)計電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)時，我們可以充分利用DRV835x的特性，優(yōu)化系統(tǒng)的性能和可靠性。希望通過本文的介紹，能讓大家對DRV835x有更深入的了解，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮其最大的優(yōu)勢。你在使用類似的柵極驅(qū)動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。