汽車級驅動芯片 DRV81602-Q1 開發指南

在電子工程師的日常工作中，汽車電子領域的硬件設計一直是個充滿挑戰與機遇的舞臺。今天，咱們就來深入聊聊德州儀器（TI）推出的 8 通道、40V、700mΩ、具備全面保護功能且可配置的低側和高側驅動器——DRV81602-Q1。

文件下載：drv81602-q1.pdf

核心特性

1. 汽車級認證與安全設計

這顆芯片通過了 AEC - Q100 汽車應用認證，溫度等級為 1，可在 - 40°C 至 + 125°C 的環境溫度下穩定工作。而且它具備功能安全能力，還提供相關文檔來輔助功能安全設計，這對于對安全性要求極高的汽車電子應用來說，無疑是一顆“定心丸”。

2. 靈活的電源設計

- **模擬電源**：支持 3V 至 40V 的模擬電源電壓，即使在低至 3V 的啟動電壓下也能正常工作，完全符合 LV124 汽車標準。
- **數字電源**：數字電源電壓范圍為 3V 至 5.5V，與 3.3V 和 5V 的微控制器都能完美兼容。

3. 強大的保護與診斷功能

- **保護特性**：涵蓋了多種保護功能，如反接電池保護、對地和電池短路保護、欠壓穩定工作、過流鎖斷、過溫警告、熱關斷鎖斷、過壓保護以及電池和接地丟失保護等。
- **診斷特性**：可通過 SPI 寄存器提供診斷信息，包括導通狀態下的過載檢測、導通和關斷狀態下的開路負載檢測以及輸入和輸出狀態監測。

4. 獨特的功能設計

- **雙并行輸入與映射功能**：擁有兩個帶有映射功能的并行輸入，可在跛行回家模式下實現故障安全激活。
- **PWM 與 BIM 模式**：集成兩個獨立的內部 PWM 發生器，可用于驅動 LED；還具備燈泡浪涌模式（BIM），適用于驅動 2W/5W 燈泡和其他電容性負載。
- **低電流睡眠模式**：當 (T_J ≤85^{circ}C) 時，睡眠模式電流小于 3μA，有效降低功耗。
- **SPI 通信**：采用 16 位 SPI 進行控制和診斷，支持菊花鏈連接，還能與 8 位 SPI 設備兼容。

應用領域

DRV81602 - Q1 的應用范圍非常廣泛，特別適用于汽車和工業領域。例如，在汽車的區域控制模塊（ZCM）、車身控制模塊（BCM）、汽車照明系統、汽油和柴油發動機控制以及車輛控制單元（VCU）等應用場景中都能發揮重要作用，同時也可用于可編程邏輯控制器（PLC）。

技術參數分析

1. 電氣特性

- 絕對最大額定值：涵蓋了各種電壓、電流和溫度的極限值。比如模擬電源電壓 (V_M) 范圍為 - 0.3V 至 42V，數字電源電壓 (V_{DD}) 范圍為 - 0.3V 至 5.75V 等。操作超出這些絕對最大額定值可能會導致設備永久性損壞，所以在設計時一定要嚴格遵守。
- ESD 額定值：給出了不同引腳的靜電放電（ESD）額定值，如 OUT 引腳相對于 VM 或 GND 的人體模型（HBM）為 ± 4000V，其他引腳為 ± 2000V 等，這有助于我們在設計中考慮 ESD 防護措施。
- 推薦工作條件：包括正常工作的電源電壓范圍、邏輯電源電壓、控制和 SPI 輸入電壓以及環境溫度等。例如，正常工作時 (V_{M_NOR}) 為 4V 至 40V， (V_{DD}) 為 3V 至 5.5V。

2. 典型特性

- 文檔中給出了多個典型特性圖表，如不同溫度和電源電壓下的空閑模式和活動模式電源電流、開關導通電阻、漏源鉗位電壓、過流保護閾值等。這些圖表能幫助我們直觀地了解芯片在不同條件下的性能表現，為設計提供重要參考。

詳細設計解析

1. 引腳配置與功能

芯片采用 24 引腳 HTSSOP（PWP）封裝，每個引腳都有其特定的功能。比如，VM 引腳為功率級和保護電路提供模擬電源電壓，VDD 引腳為 SPI 提供數字電源電壓，nSCS 引腳為串行芯片選擇等。在進行 PCB 設計時，我們要根據引腳功能合理布局，確保信號傳輸穩定。

2. 工作模式

芯片具有睡眠模式、空閑模式、活動模式和跛行回家模式四種工作模式。模式的轉換由 nSLEEP 引腳邏輯電平、INx 引腳邏輯電平、ENx 位狀態、ACT 位狀態以及 EN_PWM0 和 EN_PWM1 位狀態等因素決定。不同的工作模式下，芯片的電流消耗、通道控制和 SPI 通信等功能會有所不同，我們需要根據實際應用場景合理選擇工作模式。

3. 電源管理

芯片由 (VM)（模擬電源電壓）和 (V{DD})（數字電源電壓）供電。當 (VM) 電壓下降到 (V{DD}) 電壓以下時，VDD 引腳的電流消耗會增加。同時， (VM) 和 (V{DD}) 都有欠壓檢測電路，欠壓會影響電源級的激活和 SPI 通信。在設計電源電路時，要確保電源的穩定性，避免欠壓情況對芯片造成不良影響。

4. 功率級設計

DRV81602 - Q1 采用 N 溝道 MOSFET 構建功率級，有 6 個可自動配置的通道，既可以作為低側開關，也可以作為高側開關。在配置時，要根據負載的連接方式自動調整診斷和保護功能。

• 開關電阻負載：默認開關轉換速率為 1.3V/μs，可通過配置寄存器 2 中的 SR 位將其提高到 2.5V/μs。
• 電感輸出鉗位：在關閉電感負載時，功率開關兩端的電壓會上升到 (V{DS_CL}) 電位，輸出引腳電壓不能低于 (V{OUT_S_CL})，通過電壓鉗位來防止設備損壞。
• 最大負載電感：電感負載退磁時，磁能會在芯片中耗散，最大能量轉換為熱量受芯片熱設計限制。
• 反向電流行為：在反向電流情況下，受影響的通道可能會保持導通或關斷狀態，可能會導致 ERRx 位設置，并且會對部分參數產生影響，但不影響其他通道的基本功能。不過要注意，反向電流時沒有溫度保護和過載保護機制，可能會導致芯片溫度升高。
• 并聯通道開關：在短路情況下，并聯通道可能會異步關斷，可通過 SPI 寄存器配置相鄰通道的并行操作，使最快響應的通道在過載或過溫時同時關閉另一個通道。
• 燈泡浪涌模式（BIM）：當驅動電容性負載時，開關導通后的浪涌電流可能會使通道過載鎖斷。設置 BIMx 位為 1b 后，通道在達到過載電流或過溫閾值鎖斷后，會在 (t_{INRUSH}) 時間后自動重啟，允許負載度過浪涌階段。
• 集成 PWM 發生器：芯片有兩個獨立的集成 PWM 發生器，可分配給一個或多個通道，并可設置不同的占空比和頻率。通過 FPWM 位可以調整內部振蕩器產生的基本頻率 (f_{INT})，每個 PWM 發生器還可設置占空比、頻率、通道輸出控制和映射寄存器。

5. 保護與診斷功能

- **欠壓保護**：當 (V_M) 電壓在 (V_{M_UVLO}) 和 (V_{M_OP}) 之間時，欠壓機制會觸發，邏輯會設置 UVRVM 位。當 (V_M) 高于 (V_{M_OP}) 時，在第一次標準診斷讀出后 UVRVM 位會清零。
- **過流保護**：有兩個過流閾值 (I_{L_OCP0}) 和 (I_{L_OCP1})，根據 OCP 位的值而定。當負載電流超過閾值時，經過 (t_{OFF_OCP}) 時間后，過載通道會關斷，同時 ERRx 位會設置。通過設置 CLRx 位為 1b 可以清除保護鎖存，重新開啟通道。
- **過溫保護**：每個通道都集成了溫度傳感器，當通道過熱時會自動關斷，ERRx 位會設置。同樣，通過設置 CLRx 位為 1b 可以清除保護鎖存，重新開啟通道。
- **過溫警告**：當芯片溫度超過過溫警告閾值（TOTW）時，配置寄存器 2 中的 OTW 位會設置，芯片繼續正常工作。當溫度低于滯后點（THYS_OTW）時，OTW 位會自動清零。
- **跛行回家模式下的保護**：在跛行回家模式下，通道 2 和 3 可通過輸入引腳開啟。在過流、短路或過溫情況下，通道會關斷。如果輸入引腳保持高電平，通道會按照一定的時間間隔重啟。
- **反極性保護**：在反極性（反向電池）情況下，低側通道和用作低側開關的可自動配置通道的體二極管會產生功率損耗，用作高側開關的可自動配置通道會導通以降低功率損耗。但要注意，此時沒有溫度保護和電流限制機制。
- **過壓保護**：在 (V_{M_SC}) 和 (V_{M_LD}) 之間的電源電壓下，輸出 MOSFET 仍可正常工作。除了電感負載的輸出鉗位外，還有一個過壓保護鉗位機制，用于監測 VM 和 GND 引腳之間的電壓。
- **輸出狀態監測**：芯片會比較每個通道的 (V_{DS}) 與 (V_{OSM})（低側開關配置）或 (V_{OUT_S}) 與 (V_{OSM})（高側開關配置），并相應設置 OSMx 位?？赏ㄟ^編程 IOLx 位啟用與功率開關并聯的診斷電流 (I_{OL})，用于關斷狀態下的開路負載檢測。
- **導通狀態下的開路負載檢測**：每個高側開關和用作高側開關的可自動配置通道都可以檢測導通狀態下的開路負載，通過編程 EN_OLON 位進行控制。有直接通道診斷和診斷循環兩種模式，可根據不同的設置更新 OLON 位。

6. SPI 通信

- **SPI 信號描述**：SPI 是一個全雙工同步串行從接口，使用 SDO、SDI、SCLK 和 nSCS 四條線。nSCS 引腳用于選擇設備，SCLK 引腳為內部移位寄存器提供時鐘，SDI 引腳用于輸入數據，SDO 引腳用于輸出數據。
- **菊花鏈功能**：支持菊花鏈連接，多個設備可以通過相同的 nSCS 信號激活，SDI 線連接前一個設備的 SDO 線，形成一個鏈。
- **SPI 協議**：SPI 協議在微控制器觸發下，對命令幀的響應會在下一次傳輸中給出。在某些特殊情況下，如傳輸錯誤、電源復位或命令語法錯誤時，響應幀會有特殊處理。
- **SPI 寄存器**：包括標準診斷寄存器、輸出控制寄存器、燈泡浪涌模式寄存器等多個寄存器，每個寄存器都有其特定的功能和默認值。通過對這些寄存器的讀寫操作，可以實現對芯片的控制和狀態監測。

應用與實現建議

1. 外部組件建議

為了確保芯片的正常工作和穩定性，建議使用以下外部組件：

• 在 IN0、IN1 和 nSLEEP 引腳串聯 4.7kΩ 電阻，用于保護微控制器在過電壓和反極性情況下不受損壞，同時在接地丟失時保持輸出通道關閉。
• 在 nSCS、SCLK、SDI 和 SDO 引腳串聯 470Ω 電阻，同樣用于保護微控制器。
• 在 VDD 引腳串聯 100Ω 電阻和 100nF 旁路電容，用于邏輯電源電壓濾波。
• 在 VM 引腳并聯 68nF 旁路電容和 TVS3300 二極管，分別用于電池電壓濾波和過電壓保護。
• 可在每個 OUT 引腳并聯 10nF 電容，用于保護芯片免受 ESD 和 BCI 影響。

2. 布局指南

- 在布局時，要將 VM 引腳通過低 ESR 陶瓷旁路電容（推薦值 68nF）連接到 GND，電容要盡可能靠近 VM 引腳，并使用厚走線或接地平面連接到設備的 GND 引腳。
- VDD 引腳也需要通過低 ESR 陶瓷電容（推薦值 100nF，額定電壓 6.3V）接地，電容要靠近引腳放置。
- 要避免電源引腳和去耦電容之間產生電感，在芯片的 IN0、IN1、nSLEEP、nSCS、SCLK、SDI、SDO 和 VDD 引腳與微控制器的相應引腳之間串聯電阻。
- 芯片的散熱焊盤必須連接到系統接地，建議使用大的、連續的單一接地平面，可將其設置在 PCB 底層。從接地引腳到接地平面的走線要盡可能短而寬，并使用多個過孔以降低阻抗。同時，要盡量清理芯片周圍的空間，特別是 PCB 底層，以提高散熱效果。此外，單個或多個內部接地平面連接到散熱焊盤也有助于散熱和降低熱阻。

總結

DRV81602 - Q1 是一款功能強大、性能穩定且應用靈活的汽車級驅動芯片。它不僅具備豐富的保護和診斷功能，還能適應多種工作模式和應用場景。在實際設計中，我們需要根據具體需求合理選擇工作模式、配置引腳和寄存器，同時注重外部組件的選擇和 PCB 布局，以確保芯片能夠發揮出最佳性能。

各位電子工程師們，你們在使用類似芯片時遇到過哪些問題呢？又有哪些獨特的解決經驗呢？歡迎在評論區分享交流！