DRV835x：高性能三相無刷直流電機驅動的理想之選

在電子工程師的日常工作中，電機驅動設計一直是一個關鍵且具有挑戰性的領域。今天，我們要深入探討德州儀器（TI）的 DRV835x 系列器件，這是一款專為三相無刷直流（BLDC）電機應用設計的高度集成柵極驅動器，它在減少系統組件數量、降低成本和復雜度方面表現出色。

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1. 器件概述

DRV835x 系列器件集成了三個獨立的半橋柵極驅動器、電荷泵和線性穩壓器，為高低側柵極驅動器提供電源。此外，部分器件還集成了三個電流分流放大器和一個 350 - mA 的降壓調節器。該系列器件支持標準的串行外設接口（SPI）和硬件接口（H/W）兩種配置方式，方便工程師根據不同的應用需求進行選擇。

2. 關鍵特性剖析

2.1 智能柵極驅動架構

DRV835x 采用智能柵極驅動架構，具有諸多優勢。它可以動態調整輸出柵極驅動電流強度，從而控制功率 MOSFET 的 (V_{DS}) 開關速度，減少了外部柵極驅動電阻和二極管的使用，降低了物料清單（BOM）成本和 PCB 面積。同時，該架構還能保護外部 MOSFET 免受柵極驅動短路事件、dV/dt 寄生導通等問題的影響。

2.2 集成電源供應

• 高側電荷泵：采用倍增器電荷泵架構，可將 VCP 輸出調節至 (V_{VDRAIN }+10.5 - V)，支持 100% 的 PWM 占空比控制。
• 低側線性穩壓器：從 VM 電源生成低側柵極驅動電源電壓，將 VGLS 輸出調節至 14.5 - V，并在 GLx 低側柵極驅動器輸出進一步調節至 11 - V。

  2.3 多種 PWM 控制模式

  DRV835x 提供 6x、3x、1x 和獨立 PWM 四種控制模式，以支持不同的換向和控制方法。在實際應用中，我們需要根據具體的電機控制需求選擇合適的模式。例如，在簡單的有傳感器梯形控制中，1x PWM 模式可以通過內部存儲的 6 步塊換向表，使用單個 PWM 信號控制三相 BLDC 電機。

  2.4 豐富的保護功能

  該系列器件具備全面的保護功能，包括 VM 欠壓鎖定（UVLO）、柵極驅動電源欠壓（GDUV）、MOSFET (V_{DS}) 過流保護（OCP）、MOSFET 直通預防、柵極驅動器故障（GDF）、熱警告和關斷（OTW/OTSD）等。這些保護功能可以有效提高系統的可靠性和穩定性。

3. 應用場景

DRV835x 系列器件的應用場景非常廣泛，涵蓋了多個領域：

• 工業自動化：如工廠自動化和紡織機器，可實現高效、精確的電機控制。
• 電動交通工具：像電動自行車、電動滑板車和電動移動設備，為其提供可靠的動力驅動。
• 消費電子：包括風扇、鼓風機和泵等設備，能夠滿足其對電機驅動的需求。
• 無人機和機器人：在無人機、機器人和遙控玩具中，可實現靈活、穩定的運動控制。

4. 設計要點

4.1 外部 MOSFET 選擇

在選擇外部 MOSFET 時，需要考慮 MOSFET 的柵極電荷、VCP 電荷泵容量、VGLS 穩壓器容量和輸出 PWM 開關頻率等因素。可以使用公式 (VCP/VGLS > Q{g} × f{PWM }) 快速計算 MOSFET 的驅動能力。例如，當 (V{VM}=48 ~V) 且最大 PWM 開關頻率為 45 kHz 時，VCP 電荷泵和 VGLS 穩壓器可以支持梯形換向時 (Q{g}<556) nC 的 MOSFET，以及正弦換向時 (Q_{g}<185) nC 的 MOSFET。

4.2 IDRIVE 配置

柵極驅動電流強度 IDRIVE 的選擇應基于外部 MOSFET 的柵 - 漏電荷和目標上升/下降時間。如果 IDRIVE 選擇過低，MOSFET 可能無法在 tDRIVE 時間內完全導通，從而導致柵極驅動故障。建議在實際系統中根據所需的外部 MOSFET 和電機調整這些值，以確定最佳設置。

4.3 (V_{DS}) 過流監測配置

(V{DS}) 監測器的配置應基于最壞情況下的電機電流和外部 MOSFET 的 (R{DS(on)}) 值。計算公式為 (V{DS_OCP }> I{max } × R{DS(on) max })。例如，若要使 (V{DS}) 監測器在電流大于 75 A 時觸發，根據 CSD19535KCS MOSFET 的數據手冊，在 (T{A}=25^{circ} C) 時 (R{DS(on)}) 最大值為 3.6 mΩ，在 175°C 時為 2.2 倍，即 7.92 mΩ。則 (V_{DS_OCP }> 75 A × 7.92 mΩ = 0.594 V)。

4.4 電源供應設計

DRV835x 器件設計用于在 9 V 至 75 V 的輸入電壓供應（VM）范圍內工作。在 VM 引腳附近應放置一個 0.1 - μF 的陶瓷電容，并根據應用需求添加適當的大容量電容，以滿足外部半橋 MOSFET 的旁路需求。

5. 布局建議

合理的 PCB 布局對于 DRV835x 器件的性能至關重要。以下是一些布局要點：

• 旁路電容：在 VM 引腳附近放置一個 0.1 - μF 的陶瓷電容，并使用一個大容量電容對 VM 引腳進行旁路。同時，在 CPL 和 CPH 引腳之間放置一個 47 - nF 的陶瓷電容，在 VCP 和 VDRAIN 引腳、VGLS 和 GND 引腳之間放置 1 - μF 的陶瓷電容。
• 信號走線：盡量縮短高側和低側柵極驅動器的環路長度，減少信號干擾。VDRAIN 引腳應直接連接到外部 MOSFET 的漏極公共點，SLx 引腳應使用專用走線連接到低側外部 MOSFET 的源極，以實現更準確的 (V_{DS}) 感應。
• 降壓調節器布局：將反饋網絡電阻靠近 FB 引腳，輸入旁路電容靠近 VIN 引腳，電感靠近 SW 引腳，輸出電容靠近電感和二極管的節點，以減少噪聲干擾，提高電源轉換效率。

6. 總結

DRV835x 系列器件以其高度集成的特性、豐富的功能和靈活的配置方式，為三相 BLDC 電機應用提供了一個強大而可靠的解決方案。無論是在工業自動化、電動交通工具還是消費電子等領域，DRV835x 都能幫助電子工程師實現高效、穩定的電機驅動設計。在實際應用中，我們需要根據具體的需求和場景，合理選擇外部組件，優化 PCB 布局，以充分發揮該器件的性能優勢。希望通過本文的介紹，能為廣大電子工程師在電機驅動設計方面提供一些有價值的參考。你在使用 DRV835x 過程中遇到過哪些問題？或者你對它的哪些特性最感興趣呢？歡迎在評論區留言討論。