DRV11873：高效三相無傳感器BLDC電機驅(qū)動器的深度解析

在電子工程師的日常工作中，電機驅(qū)動設(shè)計是一個關(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DRV11873，一款專為風扇電機驅(qū)動應(yīng)用設(shè)計的三相無傳感器BLDC電機驅(qū)動器。

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產(chǎn)品概述

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

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產(chǎn)品特性

1. 速度控制

DRV11873可以通過PWM IN或VCC引腳控制電機速度。在大多數(shù)情況下，電機速度與PWM IN占空比或VCC輸入電壓的曲線接近線性，但電機特性會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FS引腳拉高時，電機驅(qū)動MOSFET以125kHz的恒定開關(guān)頻率工作；當FS引腳拉低時，開關(guān)頻率為62.5kHz。這種高開關(guān)頻率有助于消除可聽噪聲，并降低VCC輸入電壓和電流的紋波。

2. 頻率發(fā)生器（FG）

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

3. FS設(shè)置

通過設(shè)置FS引腳，DRV11873可以適配各種類型的風扇電機。對于具有低繞組電阻和低電感的高速風扇電機，應(yīng)將FS引腳拉高；對于具有高繞組電阻和高電感的低速風扇電機，應(yīng)將FS引腳拉低。通過FS引腳選擇，DRV11873可應(yīng)用于從低速冰箱冷卻風扇到高速服務(wù)器冷卻風扇等廣泛的應(yīng)用場景。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. 鎖定保護和RD輸出

如果電機被外力阻塞或停止，鎖定保護將在檢測時間后觸發(fā)。在鎖定檢測期間，電路會監(jiān)控FG信號。如果在鎖定檢測時間內(nèi)FG輸出狀態(tài)沒有改變，鎖定保護將停止驅(qū)動電機。在鎖定釋放時間后，DRV11873將恢復驅(qū)動電機。如果鎖定條件仍然存在，DRV11873將繼續(xù)下一個鎖定保護周期，直到鎖定條件解除。這種鎖定保護機制可以防止電機和設(shè)備過熱或損壞。不同的FS設(shè)置會決定不同的鎖定檢測和鎖定釋放時間。

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

5. 反向旋轉(zhuǎn)控制（FR）

DRV11873具有FR引腳，用于設(shè)置電機的正向或反向旋轉(zhuǎn)。在DRV11873上電時設(shè)置FR狀態(tài)。在正常運行期間，如果改變FR狀態(tài)，電機的旋轉(zhuǎn)方向不會改變。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?shù)臅r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5V LDO，可以輸出高達20mA的負載電流，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2.2μF的陶瓷電容。

7. 過流保護

DRV11873可以通過連接到CS引腳和地的外部電阻來調(diào)整過流保護閾值。無需使用外部電流檢測電阻，DRV11873通過功率MOSFET來檢測電流，因此在電流檢測過程中不會產(chǎn)生功率損耗，提高了系統(tǒng)效率。過流保護閾值可以通過外部電阻的值來設(shè)置，計算公式為I(A) = 6600 / R_CS(Ω)，有效范圍為500mA < I_limit < 2000mA。在電機啟動期間，過流水平會增加到R_CS設(shè)置值的1.5倍。如果在啟動序列中觸發(fā)過流保護，電機將無法啟動。

8. UVLO（欠壓鎖定）

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

9. 熱關(guān)斷

DRV11873內(nèi)置了熱關(guān)斷功能，當結(jié)溫超過160°C時，設(shè)備將關(guān)閉；當結(jié)溫降至150°C時，設(shè)備恢復運行。

10. 抗電壓浪涌（AVS）

DRV11873具有保護功能，可防止電機制動時能量返回電源。當電機制動到較低速度或停止時，AVS功能可以保護設(shè)備以及其他設(shè)備，防止VCC電壓升高。

功能模式

1. 啟動模式

在啟動時，換向邏輯以一相高、一相低、第三相關(guān)閉的方式開始驅(qū)動電機。如果在關(guān)閉相檢測到過零，換向邏輯將前進到下一步：相同的相保持高電平，關(guān)閉相變?yōu)榈碗娖?，低電平相關(guān)閉。最初，反電動勢不夠強，無法檢測到過零，在這個初始階段，換向會自動切換，直到反電動勢足夠大可以讀取。在啟動模式下，無論PWM輸入如何，都應(yīng)用100%占空比。當換向邏輯連續(xù)收到4個成功的過零信號后，它將切換到正常運行模式。

在某些情況下，當設(shè)備嘗試再次啟動電機時，電機可能已經(jīng)有初始速度。此時，換向邏輯將跳過啟動過程，直接進入正常運行模式。

2. 閉環(huán)控制

電機成功啟動后，啟動控制將切換到穩(wěn)態(tài)運行。在穩(wěn)態(tài)控制中，電機以150°換向，這是一種先進的梯形方法，允許設(shè)備逐漸將相電流驅(qū)動到最大值，并在換向時逐漸降至0。

3. AVS保護

當設(shè)備接收到減速或停止電機的命令時，為了保護IC和系統(tǒng)，DRV11873的AVS保護功能將起作用。該功能可以防止電源電壓VCC超過標稱值，通過監(jiān)控MOSFET中的電流，當檢測到浪涌開始時，控制電流，防止其對VCC充電，從而避免電壓浪涌。

應(yīng)用與實現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息

DRV11873僅需要五個外部元件。需要在VCC和地之間連接一個10μF或更高的陶瓷電容進行去耦。在布局時，接地銅澆鑄策略對于提高熱性能非常重要。對于兩層或更多層的PCB，建議使用八個散熱過孔。對于高電流電機，應(yīng)在U、V、W相和地之間放置三個肖特基二極管，每個二極管的陽極必須接地，陰極必須連接到U、V或W相。如果電機沒有COM引腳，可以使用三個電阻以星形連接的方式模擬一個COM引腳，將一個電阻連接到U相，一個連接到V相，一個連接到W相，將電阻的另一端連接在一起，這個中心點就是COM。選擇合適的電阻值時，可以從10kΩ開始，每次減小1kΩ，直到電機正常運行。

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)計要求包括電機電壓范圍為5 - 16V，VCC電容應(yīng)盡可能靠近引腳放置，額定負載下的運行電流不超過1.5A，啟動和電機鎖定條件下的絕對最大電流不超過2A。

詳細設(shè)計步驟如下：

1. 參考設(shè)計要求，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，電機運行時電流不超過1.5A。
2. 在構(gòu)建原理圖時，遵循應(yīng)用和電源供應(yīng)建議。對于高電流/高速電機，在相和地之間使用三個肖特基二極管；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；如果電機沒有公共引腳，使用應(yīng)用信息中列出的方法創(chuàng)建一個。
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上使用過孔將熱量從IC散發(fā)出去。
4. 使用應(yīng)用中的電機測試系統(tǒng)，驗證其正常運行。

電源供應(yīng)建議

DRV11873設(shè)計用于在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額定電壓為VCC的10μF陶瓷電容。如果電源紋波超過200mV，除了本地去耦電容外，還需要一個大容量電容，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，因為這些走線會通過高電流。
2. 在VCC和GND之間放置一個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)是一塊沒有間隙的銅。

總結(jié)

DRV11873是一款功能強大、特性豐富的三相無傳感器BLDC電機驅(qū)動器，適用于各種風扇電機驅(qū)動應(yīng)用。其內(nèi)置的多種保護功能，如過流保護、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)計應(yīng)用時，需要根據(jù)具體的電機特性和應(yīng)用要求，合理設(shè)置各個引腳和參數(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的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。