DRV816x系列半橋智能柵極驅動器：功能、應用與設計要點

作為電子工程師，在設計電機驅動電路時，一款性能出色且功能豐富的柵極驅動器至關重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的DRV816x系列半橋智能柵極驅動器，包括DRV8161、DRV8162和DRV8162L。

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一、器件概述

DRV816x系列器件是專為驅動高側和低側N溝道MOSFET而設計的半橋柵極驅動器。它具有集成度高、功能豐富、保護完善等特點，能廣泛應用于各種電機驅動和其他需要功率開關控制的場合。

（一）關鍵特性

1. 驅動能力：可驅動半橋配置的兩個N溝道MOSFET，高側MOSFET源極/漏極電壓最高可達102V（絕對最大值），柵極驅動電源電壓范圍為8V（DRV8162L為5V）至20V，還集成了自舉二極管。
2. 功能安全：具備功能安全質量管理，提供相關文檔以輔助功能安全系統設計。
3. PWM支持：支持100%的PWM占空比，集成了涓流充電泵。
4. 柵極驅動電流：提供16級柵極驅動峰值電流，源電流范圍為16mA - 1000mA，灌電流范圍為32mA - 2000mA，且源 - 灌電流比有1:1、1:2、1:3可選。
5. 死區時間調整：PWM死區時間可在20ns - 900ns之間調整。
6. 保護功能：集成了GVDD欠壓保護（GVDDUV）、自舉欠壓保護（BST_UV）、MOSFET過流保護（VDS）、直通保護、熱關斷（OTSD）等多種保護功能，并通過nFAULT引腳指示故障狀態。
7. 邏輯輸入兼容性：支持3.3V和5V邏輯輸入。

（二）應用領域

該系列器件適用于多種應用場景，包括工業及協作機器人、移動機器人（AGV/AMR）、直線電機運輸系統、伺服驅動器、無人機、電動自行車、電動滑板車等電動交通工具。

二、器件比較

DRV8161和DRV8162/DRV8162L在一些特性上存在差異，具體如下表所示：

從表中可以看出，DRV8161集成了低側電流檢測放大器，可用于電流反饋；而DRV8162和DRV8162L提供了單獨的GVDD和GVDD_LS引腳，有助于實現安全轉矩關斷（STO）功能。

三、引腳配置與功能

DRV816x系列器件采用20引腳VSSOP封裝，不同引腳具有不同的功能。以下是一些關鍵引腳的功能說明：

1. DT/MODE：選擇輸入引腳接口邏輯和柵極驅動死區時間設置。通過在DT和GND之間連接電阻，可調整死區時間在20ns至900ns之間，并選擇PWM模式。
2. INH/IN和INL/EN：柵極驅動器控制輸入，其控制方式取決于DT/MODE引腳的設置。
3. nDRVOFF：柵極驅動器關斷控制引腳。將其拉低可使高側和低側外部MOSFET關斷，將柵極驅動器置于下拉狀態。
4. nFAULT/nDRVOFF（DRV8161）和nFAULT（DRV8162/DRV8162L）：故障指示引腳。在故障條件下，該引腳被拉低。

四、電氣特性與性能參數

（一）絕對最大額定值

在使用DRV816x器件時，需要注意其絕對最大額定值，超出這些范圍可能會導致器件永久性損壞。例如，nFAULT引腳的電壓范圍為 - 0.3V至20V，INH(IN)、INL(EN)、nDRVOFF、VDSLVL引腳的電壓范圍也為 - 0.3V至20V等。

（二）推薦工作條件

為了確保器件的正常工作和性能穩定，應在推薦工作條件下使用。例如，GVDD電源電壓范圍為8V至20V（DRV8162L為5V至20V），VDRAIN高側漏極引腳電壓范圍為0V至90V等。

（三）電氣性能參數

器件的電氣性能參數包括各種電流、電壓、時間等參數。例如，柵極驅動的上升和下降傳播延遲時間在25ns至80ns之間，電流檢測放大器的增益可在5V/V、10V/V、20V/V、40V/V之間調整等。

五、功能詳細描述

（一）柵極驅動器

DRV816x系列器件集成了高側和低側FET柵極驅動器，采用自舉柵極驅動架構，在PWM開關期間生成高側柵極驅動器電壓。GVDD引腳為高側和低側柵極驅動器供電，并設置FET的VGS電壓。

1. PWM控制模式

該系列器件提供三種不同的PWM控制模式：2 - 引腳PWM、1 - 引腳PWM和獨立PWM模式。這些模式通過DT/MODE引腳進行配置。

• 2 - 引腳PWM模式：半橋驅動器支持低、高或高阻抗（Hi - Z）三種輸出狀態，由INH和INL信號控制。
• 1 - 引腳PWM模式：IN引腳控制半橋，支持低或高兩種輸出狀態，EN引腳可將半橋置于Hi - Z狀態。
• 獨立PWM模式：INH和INL引腳分別控制GH和GL輸出，可獨立驅動高側和低側負載，適用于驅動螺線管、開關磁阻電機等。

2. 柵極驅動架構

柵極驅動器采用互補推挽拓撲，低側柵極驅動器直接由GVDD調節器電源供電，高側柵極驅動器通過集成的自舉二極管和外部自舉電容生成浮動高側柵極電壓。

3. 涓流充電泵（TCP）

內部涓流充電泵連接到BST節點，可減少驅動器和外部組件泄漏電流引起的電壓降。在獨立PWM模式下，充電泵始終處于激活狀態；在2 - 引腳PWM和1 - 引腳PWM模式下，若INL保持低電平250us（典型值），充電泵將被激活。

4. 死區時間和直通保護

DRV816x提供死區時間插入功能，可防止半橋的兩個外部MOSFET同時導通。死區時間可通過在DT/MODE和地之間連接電阻進行調整。在2 - 引腳PWM模式下，還具備直通保護功能，當高側和低側輸入同時為高電平時，會關閉高側和低側輸出，防止直通現象發生。

（二）低側電流檢測放大器（DRV8161）

DRV8161集成了高性能低側電流檢測放大器，用于使用低側分流電阻進行電流測量。該放大器具有可配置的增益，可通過CSAGAIN引腳設置為5V/V、10V/V、20V/V或40V/V。

（三）柵極驅動器關斷序列

當nDRVOFF引腳被拉低時，柵極驅動器進入關斷狀態，覆蓋INH/IN和INL/EN輸入引腳的信號。在關斷過程中，柵極驅動器會以IDRVN_SD電流進行主動下拉，持續時間為tDRVN_SD。

（四）保護電路

DRV816x系列器件具備多種保護電路，可確保器件在異常情況下的安全運行。

1. GVDD欠壓鎖定（GVDD_UV）：當GVDD引腳電壓低于VGVDD_UV閾值電壓超過tGVDD_UV_DG消抖時間時，器件檢測到GVDD欠壓事件，所有柵極驅動器輸出被拉低，充電泵禁用，nFAULT引腳被拉低。
2. MOSFET VDS過流保護（VDS_OCP）：通過監測外部MOSFET的VDS電壓降，檢測過流或短路情況。當VDS電壓超過VVDSLVL閾值超過tDS_DG消抖時間時，器件檢測到VDS過流事件，所有柵極驅動器輸出被拉低，nFAULT引腳被拉低。
3. 熱關斷（OTSD）：當芯片結溫超過熱關斷閾值時，器件檢測到OTSD事件，所有柵極驅動器輸出被拉低，nFAULT引腳被拉低。
4. 自舉欠壓保護：當BST - SH引腳電壓低于V BST_UV閾值時，高側柵極驅動器進入半主動下拉狀態。

六、應用與設計要點

（一）典型應用電路

1. DRV8161典型應用

DRV8161的典型應用電路包括與MCU或數字控制器的連接，通過PWM信號控制柵極驅動器，同時利用電流檢測放大器進行電流反饋。

2. DRV8162和DRV8162L典型應用

DRV8162和DRV8162L的典型應用電路與DRV8161類似，但具有單獨的GVDD和GVDD_LS引腳，可用于實現STO功能。

（二）外部組件選擇

在設計應用電路時，需要選擇合適的外部組件，如自舉電容、GVDD電容、VDRAIN電容、硬件接口電阻等。以下是一些推薦的組件值：

1. 自舉電容（CBST）：推薦值為1.0μF，其額定電壓應根據外部MOSFET的總柵極電荷和V BST - V SH電壓確定。
2. GVDD電容（CGVDD）：推薦值為10μF，用于穩定GVDD電源電壓。
3. VDRAIN電容（CVDRAIN）：推薦值為0.1μF，用于為充電泵提供穩定的開關電流。

（三）布局指南

為了確保器件的性能和可靠性，在PCB布局時需要遵循以下指南：

1. 盡量減小GH、SH、GL和SL走線的長度和阻抗，減少過孔數量，以降低寄生電感。
2. 將自舉電容CBST靠近相應引腳放置，將GVDD電容靠近GVDD引腳放置，將VDRAIN電容靠近VDRAIN引腳放置。
3. 為外部MOSFET的高電流路徑添加額外的大容量電容，以旁路高電流，并盡量減小高電流路徑的長度。
4. 將SL引腳連接到MOSFET源極，而不是直接連接到GND，以實現準確的VDS檢測。
5. 對于DRV8161，將SN/SP引腳從檢測電阻并行布線到器件，并將濾波組件靠近器件引腳放置，以減少濾波后噪聲耦合。

（四）電源供應建議

DRV816x系列器件的輸入電壓范圍為5V至90V，需要在VDRAIN引腳附近放置一個0.1μF的陶瓷電容。此外，還需要根據應用需求添加適當的大容量電容，以確保電源的穩定性。

七、總結

DRV816x系列半橋智能柵極驅動器是一款功能強大、性能出色的電機驅動解決方案。它具有豐富的保護功能、靈活的PWM控制模式和可配置的參數，適用于各種電機驅動和功率開關控制應用。在設計過程中，我們需要根據具體應用需求選擇合適的器件型號，并注意引腳配置、電氣特性、布局和電源供應等方面的要點，以確保系統的穩定性和可靠性。

作為電子工程師，你在使用類似柵極驅動器時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。