DRV7167A：高性能GaN半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，尋找一款性能卓越、功能豐富且易于設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一項(xiàng)重要任務(wù)。今天，我們就來(lái)深入了解一下德州儀器（TI）推出的DRV7167A 100 - V、70A半橋GaN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率級(jí)，看看它能為我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)哪些驚喜。

文件下載：drv7167.pdf

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

高功率密度與高效轉(zhuǎn)換

DRV7167A專(zhuān)為48V系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是一款集成驅(qū)動(dòng)器的100V半橋GaN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率級(jí)。其低GaN導(dǎo)通電阻表現(xiàn)出色，在 (T{A}=25^{circ} C) 時(shí)，每個(gè)FET的 (R{DS(ON)}) 僅為2.2 mΩ，這使得它能夠?qū)崿F(xiàn)高效且高密度的功率轉(zhuǎn)換。同時(shí)，它具備高達(dá)70A (rms) 的連續(xù)輸出電流能力，以及250A（脈沖，300 μs）的脈沖輸出電流能力，能夠滿足多種高功率應(yīng)用的需求。

高頻開(kāi)關(guān)與精準(zhǔn)控制

該驅(qū)動(dòng)器支持高達(dá)500 kHz的PWM開(kāi)關(guān)頻率，并且具有出色的傳播延遲（典型值20ns）和匹配（典型值2ns）特性。這意味著在高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，它能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制，減少開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。此外，它還支持對(duì)兩個(gè)FET的導(dǎo)通和關(guān)斷壓擺率進(jìn)行控制，進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能。

零電壓檢測(cè)與優(yōu)化

零電壓檢測(cè)（ZVD）報(bào)告功能是DRV7167A的一大特色。在軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，通過(guò)該功能可以優(yōu)化死區(qū)時(shí)間，最大限度地減少第三象限導(dǎo)通時(shí)間，提高系統(tǒng)效率。同時(shí)，它還提供單PWM輸入選項(xiàng)，適用于IO受限的控制器，為設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

強(qiáng)大的保護(hù)功能

DRV7167A集成了多種保護(hù)功能，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在獨(dú)立輸入模式（IIM）下具備短路保護(hù)功能，通過(guò)內(nèi)部自舉電源電壓調(diào)節(jié)防止GaN FET過(guò)驅(qū)動(dòng)，還采用了基于 (V_{DS}) 監(jiān)測(cè)的逐周期短路保護(hù)。此外，它還能對(duì)過(guò)溫、欠壓和短路事件進(jìn)行故障指示，以及提供電源軌欠壓鎖定保護(hù)。

優(yōu)化的封裝設(shè)計(jì)

其封裝經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，采用了外露頂部QFN封裝，可實(shí)現(xiàn)頂部散熱；同時(shí)具有大面積GND焊盤(pán)，用于底部散熱。這種設(shè)計(jì)不僅有利于散熱，還能優(yōu)化PCB布局，降低設(shè)計(jì)難度。

廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

DRV7167A的高性能和豐富功能使其適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，包括但不限于以下幾個(gè)方面：

• 機(jī)器人領(lǐng)域：如人形機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人（AGV/AMR）等，這些應(yīng)用對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率密度、響應(yīng)速度和控制精度有較高要求，DRV7167A能夠很好地滿足這些需求。
• 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：48V伺服驅(qū)動(dòng)器需要高效、穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換和精準(zhǔn)的電機(jī)控制，DRV7167A的特性使其成為理想選擇。
• 無(wú)人機(jī)和電動(dòng)交通工具：無(wú)人機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)滑板車(chē)等設(shè)備對(duì)重量和效率有較高要求，DRV7167A的高功率密度和高效轉(zhuǎn)換特性能夠幫助這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航和更好的性能。
• 電動(dòng)工具：電動(dòng)工具需要快速響應(yīng)和可靠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，DRV7167A的高頻開(kāi)關(guān)和保護(hù)功能能夠滿足其工作要求。

技術(shù)細(xì)節(jié)解析

引腳配置與功能

DRV7167A采用18引腳VQFN封裝，每個(gè)引腳都有特定的功能。例如，DHL/ZVDL和DLH/ZVDH引腳在PWM模式下用于設(shè)置死區(qū)時(shí)間，在IIM模式下用于零電壓檢測(cè)輸出；RDLR和RDLF引腳用于設(shè)置低側(cè)FET的導(dǎo)通和關(guān)斷壓擺率；ENIN/HI和PWM/LI引腳在不同模式下分別用于使能和控制高側(cè)和低側(cè)FET等。了解這些引腳的功能對(duì)于正確使用和設(shè)計(jì)該驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。

規(guī)格參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

在使用DRV7167A時(shí)，必須確保其工作條件在絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)，否則可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。例如，VM到PGND的電壓在測(cè)試24小時(shí)時(shí)最大為100V，在150°C下最多承受10,000個(gè)5ms脈沖時(shí)最大為120V等。

ESD額定值

該驅(qū)動(dòng)器具有一定的靜電放電（ESD）防護(hù)能力，人體模型（HBM）的ESD額定值為±1000V，帶電器件模型（CDM）的角引腳為±750V，內(nèi)部引腳為±500V。在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，需要采取適當(dāng)?shù)腅SD防護(hù)措施，以確保設(shè)備的可靠性。

推薦工作條件

為了保證DRV7167A的正常工作和性能，推薦的GVDD電壓范圍為4.5 - 5.5V，最大開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz等。在設(shè)計(jì)電源和控制系統(tǒng)時(shí)，需要嚴(yán)格遵循這些推薦條件。

熱信息

了解DRV7167A的熱特性對(duì)于散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。其結(jié)到環(huán)境的熱阻 (R{θJA}) 為27 °C/W，結(jié)到頂部的熱阻 (R{θJC(top)}) 為0.4 °C/W等。通過(guò)合理的散熱設(shè)計(jì)，可以確保設(shè)備在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。

電氣特性

電氣特性參數(shù)包括功率級(jí)的導(dǎo)通電阻、源漏極導(dǎo)通壓降、泄漏電流、電容值、傳播延遲、輸入輸出電壓閾值等。這些參數(shù)反映了驅(qū)動(dòng)器的性能和工作特性，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行合理選擇和優(yōu)化。

功能實(shí)現(xiàn)與工作模式

功能模塊

DRV7167A的功能模塊包括高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器、SCP（短路保護(hù)）、ZVD（零電壓檢測(cè)）、UVLO（欠壓鎖定）、OTP（過(guò)溫保護(hù)）等。這些模塊相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器的各項(xiàng)功能。

控制輸入與模式

該驅(qū)動(dòng)器支持獨(dú)立輸入模式（IIM）和PWM模式。在IIM模式下，輸入引腳可以獨(dú)立控制，支持3.3V和5V邏輯電平；在PWM模式下，只需一個(gè)PWM輸入，通過(guò)外部電阻設(shè)置死區(qū)時(shí)間。同時(shí)，它還實(shí)現(xiàn)了重疊保護(hù)功能，防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，避免短路故障。

啟動(dòng)與UVLO

DRV7167A在GVDD和BOOT電源上都有欠壓鎖定（UVLO）功能。當(dāng)GVDD電壓低于3.8V或BOOT到HS的自舉電壓低于3.2V時(shí)，會(huì)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，防止GaN FET部分導(dǎo)通。UVLO閾值具有200 mV的遲滯，可避免因電壓波動(dòng)引起的誤動(dòng)作。

自舉電源調(diào)節(jié)

高側(cè)偏置電壓通過(guò)自舉技術(shù)產(chǎn)生，并在內(nèi)部調(diào)節(jié)為5V（典型值），防止柵極電壓超過(guò)GaN FET的最大柵源電壓額定值。

電平轉(zhuǎn)換

電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了高側(cè)輸入HI到高側(cè)驅(qū)動(dòng)器級(jí)的接口，確保高側(cè)GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器輸出能夠參考HS引腳，并且與低側(cè)驅(qū)動(dòng)器具有良好的延遲匹配。

零電壓檢測(cè)（ZVD）報(bào)告

在IIM模式下，DRV7167A可以通過(guò)ZVDH和ZVDL引腳報(bào)告高側(cè)和低側(cè)FET是否進(jìn)入第三象限導(dǎo)通。控制器可以根據(jù)這些信息調(diào)整死區(qū)時(shí)間，減少第三象限導(dǎo)通時(shí)間，提高效率。

短路保護(hù)（SCP）

通過(guò)監(jiān)測(cè)FET的 (V{DS}) 電壓，實(shí)現(xiàn)基于 (V{DS}) 監(jiān)測(cè)的逐周期短路保護(hù)。當(dāng) (V_{DS}) 超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，關(guān)斷相應(yīng)的FET，防止設(shè)備損壞。

過(guò)溫檢測(cè)（OTD）

DRV7167A監(jiān)測(cè)集成柵極驅(qū)動(dòng)器的管芯溫度，當(dāng)超過(guò)OTD + 閾值時(shí)指示故障。但它不會(huì)自動(dòng)關(guān)閉GaN FET，而是將保護(hù)動(dòng)作留給外部PWM控制器。

故障指示

在EN/FLT引腳可以指示三種故障：低側(cè)GaN FET的短路事件、GVDD電源的UVLO事件和驅(qū)動(dòng)器的過(guò)溫事件。故障信號(hào)在故障存在期間保持低電平，故障消失后還會(huì)持續(xù) (t_{FLT}) 時(shí)間。

應(yīng)用與設(shè)計(jì)建議

典型應(yīng)用

以無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為例，在設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)化功率環(huán)路，將VM電容盡可能靠近DRV7167A放置在PCB頂層，以減小功率環(huán)路電感。在PWM模式下，控制器只需提供一個(gè)PWM控制信號(hào)，DRV7167A內(nèi)部會(huì)生成具有可調(diào)死區(qū)時(shí)間的高側(cè)和低側(cè)信號(hào)。

電源供應(yīng)建議

建議的偏置電源電壓范圍為4.5 - 5.5V，需要注意保持GVDD偏置電源在推薦范圍內(nèi)，防止低側(cè)GaN晶體管柵極擊穿。同時(shí)，要在GVDD和AGND引腳之間放置本地旁路電容，推薦使用100 nF陶瓷貼片電容進(jìn)行高頻濾波，以及1 μF - 10 μF的貼片電容滿足IC偏置要求。

PCB布局建議

為了充分發(fā)揮DRV7167A的快速開(kāi)關(guān)優(yōu)勢(shì)，需要優(yōu)化PCB布局，使功率環(huán)路阻抗最小。在多層板設(shè)計(jì)中，應(yīng)確保輸入電容（VM和PGND之間）的返回路徑小且直接位于第一層下方，以減少環(huán)路電感。同時(shí)，要將GVDD電容和自舉電容盡可能靠近設(shè)備放置在第一層，并且注意AGND的連接，避免與PGND直接連接，防止噪聲干擾。

結(jié)語(yǔ)

DRV7167A作為一款高性能的100 - V、70A半橋GaN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率級(jí)，具有高功率密度、高頻開(kāi)關(guān)、豐富的保護(hù)功能和優(yōu)化的封裝設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)。它在機(jī)器人、伺服驅(qū)動(dòng)、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)交通工具和電動(dòng)工具等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，可以充分考慮DRV7167A的特性和優(yōu)勢(shì)，結(jié)合其規(guī)格參數(shù)和設(shè)計(jì)建議，打造出更加高效、穩(wěn)定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。你在使用類(lèi)似的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。