DRV835x：三相无刷直流电机驱动的理想之选

在电子工程师的日常工作中，电机驱动设计是一个常见且关键的领域。今天，我要为大家详细介绍德州仪器（TI）的 DRV835x 系列器件，这是一款高度集成的三相无刷直流（BLDC）电机栅极驱动器，在众多应用场景中都展现出了卓越的性能。

文件下载：drv8350.pdf

1. 特性亮点

1.1 宽电压范围与集成功能

DRV835x 支持 9 至 100 V 的输入电压范围，适用于多种电源环境。它还具备可选的集成降压调节器和可选的三个低端电流检测放大器，为不同的电机控制方案提供了灵活的选择。

1.2 智能栅极驱动架构

• 可调压摆率控制：通过可调的压摆率控制，有效降低了电磁干扰（EMI），提高了系统的稳定性。
• (V_{GS}) 握手与最小死区时间插入：防止了直通现象的发生，保障了 MOSFET 的安全运行。
• 大电流驱动能力：提供 50 mA 至 1 A 的峰值源电流和 100 mA 至 2 A 的峰值灌电流，能够满足不同功率 MOSFET 的驱动需求。
• dV/dt 抑制：通过强大的下拉功能，有效抑制了 dV/dt 干扰。

1.3 集成电源供应

• 高端倍压电荷泵：实现了 100% PWM 占空比控制，为高端 MOSFET 提供稳定的驱动电压。
• 低端线性稳压器：为低端 MOSFET 提供可靠的电源支持。

1.4 集成降压调节器

集成的 LM5008A 降压调节器，工作电压范围为 6 至 95 V，输出能力为 2.5 至 75 V、350 mA，可用于为外部控制器或其他系统部件供电。

1.5 集成电流检测放大器

集成的三个电流检测放大器，增益可调（5、10、20、40 V/V），支持双向或单向电流检测，为电机电流监测提供了精确的解决方案。

1.6 多种 PWM 模式

支持 6x、3x、1x 和独立 PWM 模式，能够满足不同的控制需求，还支持 120° 有感运行。

1.7 灵活的接口方式

提供 SPI 或硬件接口，方便工程师根据实际需求进行配置。

1.8 低功耗睡眠模式

在 (V_{VM}=48 V) 时，睡眠模式电流仅为 20 µA，有效降低了系统功耗。

1.9 全面的保护功能

集成了多种保护特性，如 VM 欠压锁定（UVLO）、栅极驱动电源欠压（GDUV）、MOSFET (V_{DS}) 过流保护（OCP）、MOSFET 直通保护、栅极驱动器故障（GDF）、热警告和关断（OTW/OTSD）以及故障状态指示（nFAULT），确保了系统的可靠性和稳定性。

2. 应用领域

DRV835x 系列器件广泛应用于以下领域：

• 三相无刷直流电机模块：为电机提供高效、稳定的驱动。
• 风扇、鼓风机和泵：满足不同负载的驱动需求。
• 电动自行车、电动滑板车和电动交通工具：提供可靠的动力支持。
• 电动工具和草坪割草机：适应高功率、高负载的工作环境。
• 无人机、机器人和遥控玩具：实现精确的运动控制。
• 工厂自动化和纺织机械：提高生产效率和精度。

3. 详细描述

3.1 概述

DRV835x 系列器件通过集成三个独立的半桥栅极驱动器、电荷泵和线性稳压器、可选的三个电流检测放大器以及可选的 350 mA 降压调节器，减少了系统组件数量、成本和复杂度。标准的串行外设接口（SPI）或硬件接口（H/W）为配置器件设置和读取故障诊断信息提供了简单的方法。

3.2 功能框图

从功能框图可以清晰地看到，DRV835x 包括电源供应模块、栅极驱动器模块、控制输入模块和保护模块等。电源供应模块为栅极驱动器提供稳定的电源，栅极驱动器模块驱动外部 N 沟道高端和低端功率 MOSFET，控制输入模块接收外部控制信号，保护模块则确保系统在各种异常情况下的安全运行。

3.3 特性描述

3.3.1 三相智能栅极驱动器

• PWM 控制模式：提供 6x、3x、1x 和独立 PWM 模式，每种模式都有其独特的工作方式和应用场景。例如，6x PWM 模式下，每个半桥支持低、高和高阻抗三种输出状态；3x PWM 模式下，INHx 引脚控制半桥的低或高输出状态；1x PWM 模式使用内部存储的 6 步块换向表，可通过单个 PWM 信号控制三相 BLDC 电机；独立 PWM 模式允许外部控制器独立控制每个高端和低端栅极驱动器。
• 设备接口模式：支持 SPI 和硬件接口两种模式。SPI 接口允许外部控制器通过串行通信总线配置器件设置和读取详细的故障信息；硬件接口则将四个 SPI 引脚转换为四个电阻可配置输入，方便工程师通过简单的电阻连接来配置常用的器件设置。
• 栅极驱动器电源供应和输入电源配置：高端栅极驱动电压通过倍压电荷泵产生，低端栅极驱动电压通过线性稳压器产生。这种配置使得 VM 可以直接连接到高压电机电源或低电压栅极驱动电源，提高了系统的效率和灵活性。
• 智能栅极驱动架构：通过 IDRIVE 和 TDRIVE 两个组件实现对外部功率 MOSFET 的动态控制。IDRIVE 可调节栅极驱动电流，控制 MOSFET (V_{DS}) 压摆率；TDRIVE 则提供自动死区时间插入、寄生 dV/dt 栅极导通预防和栅极故障检测等功能。
• (V_{DS}) 监测器：用于检测外部功率 MOSFET 的过流或短路情况，可编程的 (V_{DS}) 阈值和去毛刺时间，提高了过流保护的准确性。
• VDRAIN 感测和参考引脚：为高端 MOSFET 漏极的公共点提供独立的感测和参考引脚，确保了过流监测和电源供应的稳定性。

3.3.2 DVDD 线性电压调节器

集成的 5 V、10 mA 线性稳压器，可为外部电路提供稳定的电源。在使用时，需要在 DVDD 引脚附近连接一个 X5R 或 X7R、1 µF、6.3 V 的陶瓷电容，以确保输出电压的稳定性。

3.3.3 引脚图

不同的引脚结构和功能为工程师提供了丰富的配置选项。例如，逻辑电平输入引脚、四级输入引脚、七级输入引脚和开漏输出引脚等，通过不同的连接方式可以实现不同的功能。

3.3.4 低端电流检测放大器（仅 DRV8353 和 DRV8353R）

集成的三个高性能低端电流检测放大器，支持双向和单向电流检测，增益可调。通过 SPI 寄存器还可以进行直流校准和自动校准，以提高放大器的精度。此外，这些放大器还可以配置为放大外部低端 MOSFET (V_{DS}) 电压，实现无分流电阻的电流测量。

3.3.5 降压调节器

DRV8350R 和 DRV8353R 集成的 LM5008A 降压调节器，具有宽输入电压范围、高效率和低静态电流等优点。其控制方案采用恒定导通时间（COT）模式，在轻负载时工作在不连续导通模式（DCM），在重负载时工作在连续导通模式（CCM），能够满足不同负载的需求。同时，该调节器还具备多种保护功能，如 VCC 欠压锁定、栅极驱动欠压锁定、最大占空比限制、智能电流限制关断定时器、预充电开关和热关断等。

3.3.6 栅极驱动器保护电路

DRV835x 系列器件具备全面的保护功能，能够有效防止各种异常情况对器件和系统造成损害。例如，VM 电源和 VDRAIN 欠压锁定（UVLO）、VCP 电荷泵和 VGLS 调节器欠压锁定（GDUV）、MOSFET (V_{DS}) 过流保护（VDS_OCP）、SENSE 过流保护（SEN_OCP）、栅极驱动器故障（GDF）、过流软关断（OCP Soft）、热警告（OTW）和热关断（OTSD）等。

3.4 设备功能模式

3.4.1 栅极驱动器功能模式

• 睡眠模式：当 ENABLE 引脚为低电平时，器件进入低功耗睡眠模式，所有栅极驱动器、电源调节器、感测放大器和 SPI 总线均被禁用，器件寄存器复位到默认值。
• 工作模式：当 ENABLE 引脚为高电平且 (V{VM}>V{UVLO}) 时，器件进入工作模式，电荷泵、低端栅极调节器、DVDD 调节器和 SPI 总线均处于激活状态。
• 故障复位：在发生锁定故障时，可以通过设置 CLR_FLT SPI 位或向 ENABLE 引脚发送复位脉冲来清除故障，使器件重新进入工作状态。

3.4.2 降压调节器功能模式

• 关断模式：当 RT/SD 引脚电压低于约 0.7 V 时，LM5008A 进入关断模式，内部 LDO 和开关调节器均关闭，静态电流降至 110 µA（典型值）。
• 激活模式：当内部偏置轨 VCC 高于其 UV 阈值时，LM5008A 进入激活模式，根据负载电流的大小，工作在 DCM 或 CCM 模式。

3.5 编程（仅适用于 DRV835x SPI 器件）

SPI 通信接口允许外部控制器通过 16 位数据字对器件进行配置和读取故障信息。数据字包括 1 位读写位、4 位地址位和 11 位数据位，通过 SCLK、SDI、SDO 和 nSCS 引脚进行通信。

3.6 寄存器映射（仅适用于 DRV835x SPI 器件）

DRV835x 系列器件的寄存器包括状态寄存器和控制寄存器。状态寄存器用于报告警告和故障条件，是只读寄存器；控制寄存器用于配置器件的各种参数，是读写寄存器。通过对这些寄存器的配置和读取，工程师可以实现对器件的精确控制和故障诊断。

4. 应用与实现

4.1 应用信息

DRV835x 系列器件主要用于三相无刷直流电机控制应用。在典型应用中，需要根据具体的设计要求选择合适的外部组件，如 MOSFET、电容、电阻等，并进行合理的配置。

4.2 典型应用

4.2.1 主应用

以 DRV8353R 为例，在单电源、三相 BLDC 电机驱动应用中，需要根据系统设计要求选择合适的外部组件，如 MOSFET、电容、电阻等。同时，还需要考虑 MOSFET 的驱动能力、IDRIVE 配置、(V_{DS}) 过流监测配置、感测放大器配置和单电源功耗计算等因素。

4.2.2 替代应用

在某些应用中，可以将 DRV8353R 配置为使用一个感测放大器进行单向模式的求和电流感测方案，并采用双电源模式，通过集成的降压调节器为 VM 栅极驱动电压供电，以降低内部功耗。

5. 电源供应建议

DRV835x 系列器件设计工作在 9 V 至 75 V 的输入电压范围内，需要在 VM 引脚附近放置一个 0.1 µF 的陶瓷电容，并根据应用需求选择合适的大容量电容进行旁路。

6. 布局建议

6.1 布局指南

在 PCB 布局时，需要注意以下几点：

• 旁路 VM 引脚至 GND 引脚，使用低 ESR 陶瓷旁路电容，推荐值为 0.1 µF，并尽量靠近 VM 引脚。
• 旁路 VM 引脚使用大容量电容，该电容可以与外部功率 MOSFET 的大容量旁路电容共享。
• 在 CPL 和 CPH 引脚之间放置一个 47 nF 的低 ESR 陶瓷电容，在 VCP 和 VDRAIN 引脚以及 VGLS 和 GND 引脚之间放置一个 1 µF 的低 ESR 陶瓷电容。
• 旁路 DVDD 引脚至 GND/DGND 引脚，使用 1 µF 的低 ESR 陶瓷电容，并尽量靠近引脚。
• 对于单电源应用配置，VDRAIN 引脚可以直接短接到 VM 引脚；对于距离较远的情况，使用专用走线连接到高端外部 MOSFET 漏极的公共点。
• 不要将 SLx 引脚直接连接到 GND，使用专用走线连接到低端外部 MOSFET 的源极，以实现更精确的 (V_{DS}) 感测。
• 尽量减小高端和低端栅极驱动器的环路长度。

6.2 降压调节器布局指南

对于集成降压调节器的 DRV8350R 和 DRV8353R 器件，布局时需要注意以下几点：

• 将反馈网络电阻靠近 FB 引脚，远离电感，以减少耦合噪声。
• 将输入旁路电容靠近 VIN 引脚，以降低铜走线电阻对输入电压纹波的影响。
• 将电感靠近 SW 引脚，以减少磁和静电噪声。
• 将输出电容靠近电感和二极管的节点，尽量缩短电感、二极管和 (C_{OUT}) 的走线长度，以减少传导和辐射噪声，提高整体效率。
• 使二极管、(C{VIN}) 和 (C{OUT}) 的接地连接尽可能小，并在一个点连接到系统接地平面，以减少系统接地平面的传导噪声。

7. 设备和文档支持

7.1 设备支持

了解 DRV835x 系列器件的命名规则，有助于工程师选择合适的器件。器件命名规则包括前缀、封装、系列、接口、感测放大器和降压调节器等信息。

7.2 文档支持

TI 提供了丰富的相关文档，如用户指南、数据手册、应用报告和技术说明等，为工程师的设计和开发提供了有力的支持。

7.3 相关链接

通过 TI 官网提供的相关链接，工程师可以快速访问技术文档、支持和社区资源、工具和软件等。

7.4 文档更新通知

工程师可以通过在 ti.com 上注册，接收文档更新通知，及时了解器件的最新信息。

7.5 社区资源

TI 的 E2E 在线社区和设计支持平台为工程师提供了一个交流和学习的平台，工程师可以在上面提问、分享知识、探索想法和解决问题。

7.6 商标和静电放电注意事项

在使用 DRV835x 系列器件时，需要注意相关的商标信息，并采取适当的静电放电预防措施，以避免器件受到 ESD 损害。

7.7 术语表

TI 提供的术语表可以帮助工程师理解文档中使用的术语、首字母缩写词和定义。

8. 机械、封装和可订购信息

文档中提供了 DRV835x 系列器件的机械、封装和可订购信息，包括不同封装的尺寸、引脚配置、包装数量、RoHS 合规性、MSL 评级和峰值回流温度等，方便工程师进行选型和采购。

DRV835x 系列器件以其丰富的功能、广泛的应用领域和全面的支持文档，为电子工程师在三相无刷直流电机驱动设计中提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体的设计要求，合理选择器件和外部组件，并注意布局和电源供应等方面的问题，以确保系统的性能和可靠性。希望本文对大家在 DRV835x 系列器件的设计和应用中有所帮助。大家在使用过程中有任何问题或经验，欢迎在评论区分享交流。