DRV10987：三相无传感器BLDC电机驱动的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，电机驱动的设计是一项关键且具有挑战性的任务。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）推出的DRV10987，一款专为三相无传感器BLDC电机设计的高性能驱动芯片。

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1. 产品概述

DRV10987是一款集成了功率MOSFET的三相无传感器电机驱动器，能够提供高达2A的连续驱动电流。它专为对成本敏感、低噪声、外部元件数量少的风扇和泵应用而设计。通过简单的I²C接口，用户可以对其进行配置，以适应不同的电机参数和启动曲线，满足多样化的客户需求。

2. 产品特性亮点

2.1 宽工作电压范围与低导通电阻

该芯片的电机工作电压范围为6.2V至28V，能够适应多种电源环境。在环境温度为25°C时，总驱动 (H + L r_{DS(on)}) 为250mΩ，这有助于降低功率损耗，提高效率。其连续绕组电流可达2A（峰值3A），能够满足大多数电机的驱动需求。

2.2 无传感器正弦波180°换向方案

采用无传感器正弦波180°换向方案，可显著降低电机运行时的纯音噪声，使电机运行更加安静。同时，可配置的输出PWM转换速率和频率有助于进行EMI管理，减少电磁干扰。

2.3 初始位置检测算法

初始位置检测算法可避免电机启动时的反转，确保电机平稳启动。而且，该芯片无需外部检测电阻，简化了电路设计。

2.4 灵活的用户接口选项

• I²C接口：可通过该接口访问寄存器，实现命令和反馈功能。
• 专用SPEED引脚：可接受模拟或PWM输入，方便用户进行速度控制。
• 专用FG引脚：提供TACH反馈，让用户实时了解电机的运行速度。
• 启动曲线定制：可通过EEPROM定制启动曲线，满足不同应用的需求。
• 正反转控制：通过DIR引脚实现电机的正反转控制。

2.5 集成电源管理模块

集成了5V、100mA的降压转换器和3.3V、20mA的LDO，为内部和外部电路提供稳定的电源。不同版本的待机电流表现出色，如DRV10987S的待机电流为8.5mA，DRV10987D的睡眠电流仅为48μA，有助于降低系统功耗。

2.6 全面的保护功能

具备过流保护（包括相间、相地和相电源短路）、锁定检测、抗电压浪涌保护、欠压锁定、过压保护以及热警告和关断等功能，确保芯片和电机在各种异常情况下都能安全可靠运行。

3. 应用领域

DRV10987的应用领域广泛，包括但不限于：

• 风扇类：台扇、吊扇、空气净化器和加湿器的风扇、烘干机循环风扇等。
• 泵类：排水泵和水泵。
• 电机类：三相BLDC和PMSM电机。

4. 详细功能解析

4.1 调节器

• 降压调节器：可配置为使用外部电感的开关降压调节器或使用外部电阻的线性调节器。在降压模式下，效率更高，输出电压为5V。其开关频率会随负载变化，用户可根据不同模式下的电流参数来确定为外部负载提供的电流量。
• 3.3V和1.8V LDO：为内部电路提供稳定电源，其中3.3V LDO还可驱动不超过 (I_{V3P3_MAX}) 的外部负载。

4.2 保护电路

• 热关断：当结温超过 (T{SDN}) 时，芯片会自动关断；当结温降至 (T{SDN}-T_{SDN_HYS}) 时，恢复正常工作。同时，会通过状态位进行指示。
• 欠压锁定（UVLO）：当 (V{CC}) 低于 (V{UVLOF}) 时，芯片会被锁定；当 (V{CC}) 高于 (V_{UVLO_R}) 时，解锁。主电源、降压调节器、电荷泵和3.3V LDO均有欠压锁定监测功能。
• 过流保护（OCP）：当检测到FET电流超过阈值时，会将输出驱动器置于高阻抗状态，直到锁定时间 (t_{LOCK_OFF}) 结束。
• 锁定保护：当电机被外部力阻塞或停止时，会触发锁定保护，停止驱动电机；经过锁定释放时间 (t_{LOCK_OFF}) 后，尝试重新驱动电机。

4.3 电机速度控制

提供四种间接控制电机速度的方法，可通过改变电源电压 (V_{CC}) 或控制速度命令来实现。速度命令可通过PWM输入、模拟输入或I²C串口进行设置。同时，芯片还具备AVS功能、软件电流限制功能和闭环加速功能，可优化控制性能。

4.4 过压保护

当 (V{CC}) 超过 (V{OVR}) 时，芯片会停止驱动电机并保护自身电路；当 (V{CC}) 降至 (V_{OV_F}) 以下时，恢复电机驱动。

4.5 睡眠或待机模式

有睡眠模式（DRV10987D）和待机模式（DRV10987S）两种版本。进入睡眠或待机模式可节省能源，睡眠模式下会禁用降压调节器，I²C接口也会被禁用；待机模式下开关调节器保持活跃，寄存器数据和I²C接口保持有效。

5. 电机启动与运行

5.1 电机参数配置

电机相电阻 (R_{PH_CT}) 和反电动势常数Kt是两个重要参数，需要在寄存器中进行配置。用户可通过测量和计算将其转换为相应的数字寄存器值。

5.2 不同初始条件下的电机启动

• 电机静止：可通过初始位置检测（IPD）或对齐并启动技术来初始化换向逻辑，使其与电机位置同步。
• 电机正向旋转：如果电机以足够的速度正向旋转，芯片可直接进入闭环控制，实现快速启动。
• 电机反向旋转：可通过反向驱动、等待电机停止或制动电机等方法，将电机转换为正向旋转。

5.3 电机启动序列

芯片的电机启动序列包括多个判断和状态转换，如初始速度检测（ISD）、正向判断、制动判断、IPD判断等，确保电机在各种情况下都能可靠启动。

5.4 闭环控制

在闭环运行模式下，芯片会连续采样电机U相电流，用于估计反电动势电压，并根据估计值控制电机的驱动状态。用户可根据应用需求选择半周期调整或全周期调整模式。

6. 寄存器配置

DRV10987通过I²C接口提供了丰富的寄存器配置选项，包括速度控制、EEPROM编程、电机参数配置等。用户可根据具体应用需求对寄存器进行读写操作，以实现对电机的精确控制。

7. 应用设计与注意事项

7.1 典型应用电路

典型应用电路中，需要根据推荐的参数选择合适的外部元件，如电容、电感、电阻等。同时，要注意电源滤波和布局布线，以确保芯片的稳定运行。

7.2 布局指南

• 采用粗走线连接 (V_{CC})、GND、U、V和W引脚，以承载大电流。
• 将电容尽可能靠近相应的引脚放置，以提高滤波效果。
• 确保GND、PGND和SWGND在散热垫下连接良好，保持散热垫连接面积尽可能大。

7.3 电源供应

建议使用8V至28V的输入电压，并在 (V_{CC}) 和GND引脚附近放置10μF的陶瓷电容。如果电源纹波超过200mV，可能需要增加大容量电容。

8. 总结

DRV10987以其丰富的功能、灵活的配置选项和全面的保护机制，为三相无传感器BLDC电机驱动提供了一个优秀的解决方案。无论是在降低噪声、提高效率还是增强可靠性方面，都表现出色。电子工程师在设计相关应用时，可充分利用其特性，打造出高性能、稳定可靠的电机驱动系统。你在使用DRV10987的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。