DRV11873：高效三相無(wú)傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的深度解析

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的DRV11873，一款專為風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的三相無(wú)傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

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產(chǎn)品概述

DRV11873集成了功率MOSFET，連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流能力高達(dá)1.5A，峰值電流可達(dá)2A。它專為低噪聲、低外部元件數(shù)量的風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，內(nèi)置過(guò)流保護(hù)，無(wú)需外部電流檢測(cè)電阻，同步整流模式提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的效率。此外，它還提供5V LDO，可為外部負(fù)載提供高達(dá)20mA的電流，并通過(guò)FG和RD輸出以開(kāi)漏輸出方式指示電機(jī)狀態(tài)。

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產(chǎn)品特性

1. 速度控制

DRV11873可以通過(guò)PWM IN或VCC引腳控制電機(jī)速度。在大多數(shù)情況下，電機(jī)速度與PWM IN占空比或VCC輸入電壓的曲線接近線性，但電機(jī)特性會(huì)影響該速度曲線的線性度。PWM IN引腳內(nèi)部上拉至V5，頻率范圍為7 - 100kHz。當(dāng)FS引腳拉高時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)MOSFET以125kHz的恒定開(kāi)關(guān)頻率工作；當(dāng)FS引腳拉低時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率為62.5kHz。這種高開(kāi)關(guān)頻率有助于消除可聽(tīng)噪聲，并降低VCC輸入電壓和電流的紋波。

2. 頻率發(fā)生器（FG）

FG輸出在正常運(yùn)行條件下是一個(gè)50%占空比的方波，其頻率代表電機(jī)速度和相位信息。FG引腳是開(kāi)漏輸出，需要一個(gè)外部上拉電阻連接到任何外部系統(tǒng)。在啟動(dòng)期間，F(xiàn)G輸出保持高阻抗，直到電機(jī)速度達(dá)到一定水平并檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）。如果不使用FG引腳，可以將其懸空。FG引腳可以通過(guò)上拉電阻連接到V5或VCC，通常上拉電阻值可以為100kΩ或更高。在鎖定保護(hù)期間，F(xiàn)G輸出保持高電平，直到鎖定保護(hù)解除并完成重啟。FG引腳內(nèi)置了電流限制功能，可防止意外連接VCC或V5時(shí)損壞開(kāi)漏MOSFET。

3. FS設(shè)置

通過(guò)設(shè)置FS引腳，DRV11873可以適配各種類型的風(fēng)扇電機(jī)。對(duì)于具有低繞組電阻和低電感的高速風(fēng)扇電機(jī)，應(yīng)將FS引腳拉高；對(duì)于具有高繞組電阻和高電感的低速風(fēng)扇電機(jī)，應(yīng)將FS引腳拉低。通過(guò)FS引腳選擇，DRV11873可應(yīng)用于從低速冰箱冷卻風(fēng)扇到高速服務(wù)器冷卻風(fēng)扇等廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。需要注意的是，F(xiàn)S狀態(tài)只能在設(shè)備上電期間設(shè)置。

4. 鎖定保護(hù)和RD輸出

如果電機(jī)被外力阻塞或停止，鎖定保護(hù)將在檢測(cè)時(shí)間后觸發(fā)。在鎖定檢測(cè)期間，電路會(huì)監(jiān)控FG信號(hào)。如果在鎖定檢測(cè)時(shí)間內(nèi)FG輸出狀態(tài)沒(méi)有改變，鎖定保護(hù)將停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在鎖定釋放時(shí)間后，DRV11873將恢復(fù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如果鎖定條件仍然存在，DRV11873將繼續(xù)下一個(gè)鎖定保護(hù)周期，直到鎖定條件解除。這種鎖定保護(hù)機(jī)制可以防止電機(jī)和設(shè)備過(guò)熱或損壞。不同的FS設(shè)置會(huì)決定不同的鎖定檢測(cè)和鎖定釋放時(shí)間。

RD引腳是開(kāi)漏輸出，可以通過(guò)上拉電阻連接到V5或VCC，通常上拉電阻值可以為100kΩ或更高。在鎖定保護(hù)條件下，RD輸出保持高電平，直到鎖定保護(hù)解除并完成重啟。RD引腳也內(nèi)置了電流限制功能，可防止意外連接VCC或V5時(shí)損壞開(kāi)漏MOSFET。

5. 反向旋轉(zhuǎn)控制（FR）

DRV11873具有FR引腳，用于設(shè)置電機(jī)的正向或反向旋轉(zhuǎn)。在DRV11873上電時(shí)設(shè)置FR狀態(tài)。在正常運(yùn)行期間，如果改變FR狀態(tài)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不會(huì)改變。如果需要重置FR狀態(tài)，應(yīng)將PWM IN拉低：如果FS為高，PWM必須拉低300μs；如果FS為低，PWM必須拉低600μs。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間拉低后，F(xiàn)R狀態(tài)將在PWM上升沿重置。

6. 5V LDO

DRV11873內(nèi)置了一個(gè)5V LDO，可以輸出高達(dá)20mA的負(fù)載電流，可為外部提供5V偏置電壓。TI建議在PCB布局中，在V5引腳和地之間緊密連接一個(gè)2.2μF的陶瓷電容。

7. 過(guò)流保護(hù)

DRV11873可以通過(guò)連接到CS引腳和地的外部電阻來(lái)調(diào)整過(guò)流保護(hù)閾值。無(wú)需使用外部電流檢測(cè)電阻，DRV11873通過(guò)功率MOSFET來(lái)檢測(cè)電流，因此在電流檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生功率損耗，提高了系統(tǒng)效率。過(guò)流保護(hù)閾值可以通過(guò)外部電阻的值來(lái)設(shè)置，計(jì)算公式為I(A) = 6600 / R_CS(Ω)，有效范圍為500mA < I_limit < 2000mA。在電機(jī)啟動(dòng)期間，過(guò)流水平會(huì)增加到R_CS設(shè)置值的1.5倍。如果在啟動(dòng)序列中觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，電機(jī)將無(wú)法啟動(dòng)。

8. UVLO（欠壓鎖定）

DRV11873內(nèi)置了UVLO功能塊，UVLO閾值的滯回為200mV。當(dāng)VCC達(dá)到4.1V時(shí)，設(shè)備被鎖定；當(dāng)VCC上升到4.3V時(shí)，設(shè)備喚醒。

9. 熱關(guān)斷

DRV11873內(nèi)置了熱關(guān)斷功能，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)160°C時(shí)，設(shè)備將關(guān)閉；當(dāng)結(jié)溫降至150°C時(shí)，設(shè)備恢復(fù)運(yùn)行。

10. 抗電壓浪涌（AVS）

DRV11873具有保護(hù)功能，可防止電機(jī)制動(dòng)時(shí)能量返回電源。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)到較低速度或停止時(shí)，AVS功能可以保護(hù)設(shè)備以及其他設(shè)備，防止VCC電壓升高。

功能模式

1. 啟動(dòng)模式

在啟動(dòng)時(shí)，換向邏輯以一相高、一相低、第三相關(guān)閉的方式開(kāi)始驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如果在關(guān)閉相檢測(cè)到過(guò)零，換向邏輯將前進(jìn)到下一步：相同的相保持高電平，關(guān)閉相變?yōu)榈碗娖剑碗娖较嚓P(guān)閉。最初，反電動(dòng)勢(shì)不夠強(qiáng)，無(wú)法檢測(cè)到過(guò)零，在這個(gè)初始階段，換向會(huì)自動(dòng)切換，直到反電動(dòng)勢(shì)足夠大可以讀取。在啟動(dòng)模式下，無(wú)論P(yáng)WM輸入如何，都應(yīng)用100%占空比。當(dāng)換向邏輯連續(xù)收到4個(gè)成功的過(guò)零信號(hào)后，它將切換到正常運(yùn)行模式。

在某些情況下，當(dāng)設(shè)備嘗試再次啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)可能已經(jīng)有初始速度。此時(shí)，換向邏輯將跳過(guò)啟動(dòng)過(guò)程，直接進(jìn)入正常運(yùn)行模式。

2. 閉環(huán)控制

電機(jī)成功啟動(dòng)后，啟動(dòng)控制將切換到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在穩(wěn)態(tài)控制中，電機(jī)以150°換向，這是一種先進(jìn)的梯形方法，允許設(shè)備逐漸將相電流驅(qū)動(dòng)到最大值，并在換向時(shí)逐漸降至0。

3. AVS保護(hù)

當(dāng)設(shè)備接收到減速或停止電機(jī)的命令時(shí)，為了保護(hù)IC和系統(tǒng)，DRV11873的AVS保護(hù)功能將起作用。該功能可以防止電源電壓VCC超過(guò)標(biāo)稱值，通過(guò)監(jiān)控MOSFET中的電流，當(dāng)檢測(cè)到浪涌開(kāi)始時(shí)，控制電流，防止其對(duì)VCC充電，從而避免電壓浪涌。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息

DRV11873僅需要五個(gè)外部元件。需要在VCC和地之間連接一個(gè)10μF或更高的陶瓷電容進(jìn)行去耦。在布局時(shí)，接地銅澆鑄策略對(duì)于提高熱性能非常重要。對(duì)于兩層或更多層的PCB，建議使用八個(gè)散熱過(guò)孔。對(duì)于高電流電機(jī)，應(yīng)在U、V、W相和地之間放置三個(gè)肖特基二極管，每個(gè)二極管的陽(yáng)極必須接地，陰極必須連接到U、V或W相。如果電機(jī)沒(méi)有COM引腳，可以使用三個(gè)電阻以星形連接的方式模擬一個(gè)COM引腳，將一個(gè)電阻連接到U相，一個(gè)連接到V相，一個(gè)連接到W相，將電阻的另一端連接在一起，這個(gè)中心點(diǎn)就是COM。選擇合適的電阻值時(shí)，可以從10kΩ開(kāi)始，每次減小1kΩ，直到電機(jī)正常運(yùn)行。

2. 典型應(yīng)用

典型應(yīng)用電路包括FS、PWMIN、FR、CS、RD等引腳的連接，以及相關(guān)電容和電阻的配置。設(shè)計(jì)要求包括電機(jī)電壓范圍為5 - 16V，VCC電容應(yīng)盡可能靠近引腳放置，額定負(fù)載下的運(yùn)行電流不超過(guò)1.5A，啟動(dòng)和電機(jī)鎖定條件下的絕對(duì)最大電流不超過(guò)2A。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟如下：

1. 參考設(shè)計(jì)要求，確保系統(tǒng)滿足推薦的應(yīng)用范圍，包括VCC電平在5 - 16V之間，電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流不超過(guò)1.5A。
2. 在構(gòu)建原理圖時(shí)，遵循應(yīng)用和電源供應(yīng)建議。對(duì)于高電流/高速電機(jī)，在相和地之間使用三個(gè)肖特基二極管；確保VCC、V5、VCP、CPP和CPN上有足夠的電容；根據(jù)特性描述中的細(xì)節(jié)設(shè)置CS引腳上的電阻；在FG和RD引腳上使用上拉電阻；如果電機(jī)沒(méi)有公共引腳，使用應(yīng)用信息中列出的方法創(chuàng)建一個(gè)。
3. 根據(jù)布局指南構(gòu)建硬件。將電源電容盡可能靠近引腳放置；布線U、V、W和VCC走線以處理允許的電流；確保GND連接到引腳和散熱PAD；在散熱PAD上使用過(guò)孔將熱量從IC散發(fā)出去。
4. 使用應(yīng)用中的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證其正常運(yùn)行。

電源供應(yīng)建議

DRV11873設(shè)計(jì)用于在5 - 16V的輸入電壓范圍內(nèi)工作。用戶必須在VCC和GND引腳附近盡可能靠近地放置一個(gè)額定電壓為VCC的10μF陶瓷電容。如果電源紋波超過(guò)200mV，除了本地去耦電容外，還需要一個(gè)大容量電容，并根據(jù)應(yīng)用要求確定其大小。如果在應(yīng)用中使用了大容量電容，用戶可以將本地陶瓷電容的值減小到1μF。

布局指南

1. 使用粗走線連接VCC、GND、U、V和W引腳，因?yàn)檫@些走線會(huì)通過(guò)高電流。
2. 在VCC和GND之間放置一個(gè)10μF的電容，并盡可能靠近VCC和GND引腳。
3. 在CPP和CPN之間放置電容，并盡可能靠近CPP和CPN引腳。
4. 在V5和地之間放置電容，并盡可能靠近V5引腳。
5. 將地連接到散熱PAD。
6. 保持散熱PAD連接盡可能大，在底部和頂部都應(yīng)是一塊沒(méi)有間隙的銅。

總結(jié)

DRV11873是一款功能強(qiáng)大、特性豐富的三相無(wú)傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，適用于各種風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。其內(nèi)置的多種保護(hù)功能，如過(guò)流保護(hù)、UVLO、熱關(guān)斷和AVS等，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)具體的電機(jī)特性和應(yīng)用要求，合理設(shè)置各個(gè)引腳和參數(shù)，并遵循布局指南，以確保DRV11873能夠發(fā)揮最佳性能。你在使用DRV11873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。