DRV816x：100V半橋智能柵極驅(qū)動(dòng)器的卓越之選

在電子工程師的設(shè)計(jì)工具箱中，一款性能出色、功能豐富的柵極驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)高效、可靠功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制的關(guān)鍵。德州儀器（TI）的DRV816x系列100V半橋智能柵極驅(qū)動(dòng)器，無(wú)疑是這樣一款值得關(guān)注的產(chǎn)品。今天，我們就來(lái)深入探討一下DRV816x的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、DRV816x概述

DRV816x系列包括DRV8161、DRV8162和DRV8162L等型號(hào)，它們是專門(mén)為驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)N溝道MOSFET而設(shè)計(jì)的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。這些器件集成了多種功能，能夠滿足工業(yè)、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)交通工具等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

（一）主要特點(diǎn)

1. 強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力：能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)1A源極和2A漏極的峰值電流，支持外部N溝道高側(cè)和低側(cè)功率MOSFET，可適應(yīng)不同功率等級(jí)的應(yīng)用。
2. 集成化設(shè)計(jì)：集成了自舉二極管、涓流充電泵和低側(cè)電流檢測(cè)放大器（僅DRV8161），減少了外部元件數(shù)量，降低了成本和PCB面積。
3. 靈活的PWM控制：提供1 - 引腳PWM、2 - 引腳PWM和獨(dú)立PWM三種控制模式，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置。
4. 豐富的保護(hù)功能：具備GVDD欠壓鎖定（UVLO）、VDS過(guò)流監(jiān)測(cè)（OCP）、熱關(guān)斷（OTSD）等多種保護(hù)功能，確保器件在異常情況下的安全運(yùn)行。
5. 可配置參數(shù)：如柵極驅(qū)動(dòng)電流、死區(qū)時(shí)間、PWM控制接口和過(guò)流檢測(cè)閾值等均可通過(guò)少量無(wú)源元件進(jìn)行配置，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

DRV816x的應(yīng)用范圍非常廣泛，涵蓋了工業(yè)與協(xié)作機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人（AGV/AMR）、線性電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)滑板車(chē)等領(lǐng)域。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

（一）柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

DRV816x采用自舉柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，通過(guò)GVDD引腳為高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器供電，并設(shè)置FET的(V_{GS})電壓。在PWM開(kāi)關(guān)過(guò)程中，集成的自舉二極管和外部自舉電容與涓流充電泵一起，為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器生成浮動(dòng)的高側(cè)柵極電壓。

（二）PWM控制模式

1. 2 - 引腳PWM模式：半橋驅(qū)動(dòng)器支持低、高和高阻抗（Hi - Z）三種輸出狀態(tài)，通過(guò)INH和INL信號(hào)控制輸出狀態(tài)。
2. 1 - 引腳PWM模式：IN引腳控制半橋，支持低或高兩種輸出狀態(tài)，EN引腳用于將半橋置于Hi - Z狀態(tài)。
3. 獨(dú)立PWM模式：INH和INL引腳分別控制GH和GL輸出，可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)負(fù)載，適用于驅(qū)動(dòng)螺線管和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等。

（三）死區(qū)時(shí)間和交叉導(dǎo)通預(yù)防

DRV816x通過(guò)在DT/MODE和地之間連接電阻，可在20ns至900ns之間啟用和調(diào)整死區(qū)時(shí)間，防止每個(gè)半橋的兩個(gè)外部MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，避免交叉導(dǎo)通（直通）現(xiàn)象的發(fā)生。

（四）低側(cè)電流檢測(cè)放大器（DRV8161）

DRV8161集成了高性能的低側(cè)電流檢測(cè)放大器，用于通過(guò)低側(cè)分流電阻進(jìn)行電流測(cè)量。該放大器的增益可在5V/V、10V/V、20V/V和40V/V四個(gè)不同級(jí)別之間進(jìn)行調(diào)整，為控制器提供準(zhǔn)確的電流反饋信息。

（五）保護(hù)電路

1. GVDD欠壓鎖定（GVDD_UV）：當(dāng)GVDD引腳電壓低于(V_{GVDDUV})閾值電壓超過(guò)(t{GVDD_UV_DG})消隱時(shí)間時(shí)，器件檢測(cè)到GVDD欠壓事件，所有柵極驅(qū)動(dòng)器輸出被拉低，同時(shí)nFAULT引腳拉低。
2. VDS過(guò)流保護(hù)（VDS_OCP）：通過(guò)監(jiān)測(cè)外部MOSFET的(V{DS})電壓降，檢測(cè)過(guò)流或短路情況。當(dāng)(V{DS})超過(guò)(V{DSLVL})閾值超過(guò)(t{DS_DG})消隱時(shí)間時(shí)，器件識(shí)別到VDS過(guò)流事件，所有柵極驅(qū)動(dòng)器輸出被拉低，nFAULT引腳拉低。
3. 熱關(guān)斷（OTSD）：當(dāng)芯片溫度超過(guò)熱關(guān)斷限制（(T_{OTSD})）時(shí)，器件識(shí)別到OTSD事件，所有柵極驅(qū)動(dòng)器輸出被拉低，nFAULT引腳拉低。

三、典型應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）典型應(yīng)用電路

1. DRV8161典型應(yīng)用

DRV8161常用于需要電流反饋的應(yīng)用場(chǎng)景，如電機(jī)控制。其典型應(yīng)用電路包括PWM定時(shí)器、MCU/數(shù)字控制器、外部MOSFET、自舉電容、電流檢測(cè)電阻和濾波電容等元件。通過(guò)CSAREF引腳提供的參考電壓和SO引腳輸出的放大電流信號(hào)，可將電流信息反饋給控制器的ADC。

2. DRV8162和DRV8162L典型應(yīng)用

DRV8162和DRV8162L適用于需要安全扭矩關(guān)閉（STO）功能的應(yīng)用。它們具有獨(dú)立的GVDD和GVDD_LS引腳，可通過(guò)外部功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)STO功能。典型應(yīng)用電路與DRV8161類似，但增加了對(duì)GVDD_LS引腳的處理。

（二）設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 外部元件選擇

• 自舉電容(C_{BST})：根據(jù)外部MOSFET的總柵極電荷(Q{g})選擇合適的電容值，一般要求(C{BST}>20times Q{g}/(V{GH}-V_{SH}))，最大電容值為2.2μF。
• GVDD電容(C_{GVDD})：選擇10μF、額定電壓為(V_{GVDD})的電容，可與三相功率級(jí)設(shè)計(jì)中的其他兩個(gè)DRV816x器件共享。
• VDRAIN電容(C_{VDRAIN})：選擇0.1μF、額定電壓為(V_{VDRAIN})的電容，為充電泵提供穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)電流。

2. 布局指南

• 盡量減小GH、SH、GL和SL走線的長(zhǎng)度和阻抗，減少過(guò)孔數(shù)量，以降低寄生電感。
• 將自舉電容(C_{BST})靠近相應(yīng)引腳放置，將GVDD電容靠近GVDD引腳放置，將VDRAIN電容靠近VDRAIN引腳放置。
• 對(duì)于DRV8161，將SN/SP引腳從檢測(cè)電阻平行布線到器件，并將濾波元件靠近器件引腳放置，以減少濾波后噪聲耦合。
• 盡量減少并行布線，以降低潛在噪聲源對(duì)任何對(duì)噪聲敏感的器件信號(hào)的噪聲耦合。

3. 電源供應(yīng)建議

DRV816x系列器件設(shè)計(jì)用于在5V至90V的輸入電壓供應(yīng)（VDRAIN）范圍內(nèi)工作。必須在盡可能靠近器件的位置放置一個(gè)額定電壓為(V_{VDRAIN})的0.1μF陶瓷電容，并在VDRAIN引腳上包含一個(gè)大容量電容，可與外部功率MOSFET的大容量旁路電容共享。

四、總結(jié)與思考

DRV816x系列100V半橋智能柵極驅(qū)動(dòng)器以其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件型號(hào)和外部元件，并遵循布局和電源供應(yīng)建議，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。

作為電子工程師，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中還需要不斷思考和優(yōu)化。例如，如何根據(jù)不同的負(fù)載特性和控制要求，選擇最合適的PWM控制模式和死區(qū)時(shí)間？如何在保證系統(tǒng)安全的前提下，提高器件的工作效率和性能？這些問(wèn)題都值得我們深入探討和研究。希望通過(guò)本文的介紹，能為大家在DRV816x的設(shè)計(jì)應(yīng)用中提供一些有益的參考和啟發(fā)。