深入剖析DRV10974：低噪聲三相無傳感器電機驅動的得力之選

在電子工程師的日常設計工作中，電機驅動是一個常見且關鍵的領域。今天，我們就來深入探討一款性能出色的三相無傳感器電機驅動器——德州儀器（TI）的DRV10974。

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一、產品概述

DRV10974是一款集成了功率MOSFET的三相無傳感器電機驅動器，能夠提供高達1A連續（rms）的驅動電流。它專為低噪聲、外部元件數量少的12V電機驅動應用而設計，適用于各種需要低噪聲運行的場景，如家電風扇、泵和鼓風機等。

該驅動器采用180°無傳感器控制方案，為電機相位提供正弦輸出電壓，只需通過外部電阻設置峰值電流、超前角和加速曲線，無需額外配置，大大簡化了設計過程。

二、產品特性

（一）引腳配置與功能

DRV10974有兩種封裝形式：PWP PowerPAD? Package 16 - Pin HTSSOP和RUM Package 16 - Pin WQFN。其引腳功能豐富且實用，以下是一些關鍵引腳的介紹：

• ADV引腳：通過1/8 - W電阻選擇應用的超前角，引腳懸空時為最長超前角，超前角在電源上電時由ADV引腳電壓決定。
• CS引腳：通過1/8 - W電阻選擇電流限制，引腳懸空時為最高電流限制，電流限制在電源上電時由CS引腳電壓決定。
• FG引腳：提供電機速度反饋，為開漏輸出，內部上拉至V3P3，若上拉電壓高于V3P3，需外接上拉電阻限制電流。
• FR引腳：用于控制電機的旋轉方向，FR = 0時，電機按U→V→W方向旋轉；FR = 1時，電機按U→W→V方向旋轉，其值在退出低功耗模式時由FR引腳狀態決定，內部有下拉電阻。
• PWM引腳：作為電機速度控制輸入，可自動檢測模擬或數字模式，內部上拉至2.2V。

（二）電氣特性

1. 電源電流：在TA = 25°C、VCC = 12V且無電機負載的情況下，ICC為5 - 7mA；在低功耗模式下，ICC(LP)為380μA。
2. 欠壓鎖定（UVLO）：VCC的UVLO下降閾值V(UVLO_F)為4.2 - 4.4V，上升閾值V(UVLO_R)為4.5 - 4.85V，滯回電壓Vhys(UVLO)為400mV。
3. 電荷泵UVLO：VVCP(UVLO_F)為3.35 - 4.05V，VVCP(UVLO_R)為3.65 - 4.37V，滯回電壓Vhys(VCP)為330mV。
4. V1P8 UVLO：V(V1P8_F)為1.25 - 1.55V，V(V1P8_R)為1.35 - 1.65V，滯回電壓Vhys(V1P8)為100mV。
5. 電壓調節器：V1P8電壓VV1P8在TA = 25°C、C(V1P8) = 1μF時為1.7 - 1.9V，最大外部負載電流IV1P8為3mA。
6. 集成MOSFET：高端FET導通電阻rds(on)_HS和低端FET導通電阻rds(on)_LS在TA = 25°C、VCC = 12V、IO = 100mA時均為0.375 - 0.425Ω。

（三）典型特性

從典型特性曲線中，我們可以直觀地看到一些關鍵參數的變化趨勢。例如，電源電流與電源電壓的關系曲線顯示，隨著電源電壓的升高，電源電流也會相應增加；而rDS(on)與溫度的關系曲線則表明，當VCC = 12V時，隨著溫度的升高，rDS(on)會逐漸增大。這些特性對于我們在實際設計中合理選擇電源和評估器件的性能非常有幫助。

三、功能詳細描述

（一）速度輸入與控制

DRV10974的PWM輸入用于控制電機的速度，PWM輸入的占空比決定了施加到電機上的電壓大小，從而間接控制電機的速度。PWM引腳可以接受數字占空比或模擬電壓輸入。 當PWM引腳輸入數字信號時，占空比通過低通濾波器在120ms內從0%線性增加到100%，控制分辨率約為0.2%。當PWM占空比大于15%時，輸出峰值幅度由公式(V{ph{pk}} = PWM{dc} × V{CC})決定；當PWM占空比低于15%但高于1.5%時，輸出由最小操作占空比控制。如果電源電壓VVCC > 14V，最大PWMdc限制為14V / VVCC。 當PWM引腳輸入模擬電壓時，輸出峰值幅度取決于電源電壓、PWM引腳的模擬電壓VANA和V1P8的電壓VV1P8，計算公式為(V{ph{pk}}=frac{V{ANA}}{V{1P8}}×V_{CC})。

（二）電機方向改變

通過設置FR引腳的邏輯狀態，可以輕松控制電機的旋轉方向。FR = 0時，電機按U→V→W方向旋轉；FR = 1時，電機按U→W→V方向旋轉。

（三）電機頻率反饋（FG）

FG引腳在電機運行過程中提供電機速度反饋。在一個電周期內，FG引腳會翻轉一次，通過公式(RPM=frac{f_{(FG)} × 60}{pole_pairs})可以計算出電機的機械速度。在開環加速過程中，FG引腳指示驅動電機的信號頻率；在電機減速過程中，FG引腳繼續提供速度反饋，直到電機速度低于10Hz，此時器件進入低功耗模式，FG輸出保持高電平。

（四）鎖定檢測

DRV10974具備全面的鎖定檢測功能，包括六種不同的鎖定檢測方案，能夠有效檢測電機因外部條件導致的鎖定情況，并采取保護措施。當檢測到鎖定時，器件會停止電機驅動，經過一段時間后嘗試重新啟動電機。

1. Lock Kt Measure：在從開環加速過渡到閉環加速時，測量電機的實際Kt值，如果未達到200mV，則觸發鎖定。
2. Lock No Motor：在對齊狀態結束時檢查相U電流，如果小于50mA，則認為電機未連接，觸發鎖定。
3. Lock Open Loop Abnormal：在開環加速過程中，如果電換相速率超過200Hz但未達到切換閾值，則觸發鎖定。
4. Lock BEMF Abnormal：監測電機半電周期內的反電動勢（BEMF）積分值，根據初始測量確定可接受的Kt值范圍，在閉環運行時持續更新Ktc值，若Ktc值超出范圍，則觸發鎖定。
5. Lock Closed Loop Abnormal：在閉環模式下，如果閉環換相周期小于前一個換相周期的一半，則觸發鎖定。
6. Lock Speed Abnormal：如果計算得到的電機BEMF值在一個電周期內比施加在相U上的電壓高1.5倍，則觸發鎖定。

（五）軟電流限制

軟電流限制功能通過測量電機電阻Rm和電機速度常數Kt，限制施加到相U上的電壓，從而防止電流超過限制值I(LIMIT)。該功能僅在正常閉環模式下有效，不會導致故障或停止電機運行，通常用于限制電機加速過程中因重載導致的電流過大。I(LIMIT)電流通過外部電阻R(CS)配置。

（六）短路電流保護

當任何電機相的電流超過短路保護限制I(OC_LIMIT)時，短路電流保護功能會將電機相置于高阻抗狀態，停止對電機的驅動。經過初始化序列后，器件會嘗試重新啟動電機，以保護器件和電機免受短路故障的影響。

（七）過溫保護

DRV10974具有熱關斷功能，當器件結溫超過TSD溫度時，會禁用電機操作；當結溫低于TSD - TSD(hys)時，電機操作恢復。

（八）欠壓保護

欠壓鎖定功能可防止在電源電壓VCC過低時電機運行。上電時，當VCC高于V(UVLO_F) + Vhys(UVLO)時，器件開始工作；當VCC低于V(UVLO_F)時，器件停止工作。

四、設備功能模式

（一）啟動設置

1. 電機啟動：電機啟動過程包括初始速度檢測、對齊、測量電機電阻、開環加速、滑行/測量Kt和閉環加速/運行等步驟。在啟動前，需要確保電機處于靜止狀態，通過PWM信號觸發啟動。
2. 初始速度檢測：每次退出低功耗模式時，器件會通過檢測FG引腳的頻率來判斷電機是否旋轉。如果頻率小于10Hz，則認為電機靜止；如果頻率大于10Hz，則將電機減速至10Hz以下或經過5秒超時。
3. 對齊：為了使轉子與換相邏輯對齊，器件向相U施加與閉環運行電流相等的電流，同時驅動相V和相W，持續時間最長為0.67s。為避免電流突變產生不良聲學效果，施加到電機上的電壓會逐漸變化，使電流變化率為12A/s。

（二）開環加速

電機確認靜止并完成初始化后，器件開始開環加速。通過在過渡到閉環操作之前使用外部電阻設置加速曲線，可以配置電機的啟動特性。開環加速的目的是將電機驅動到最小速度，使電機產生足夠的BEMF，以便換相控制邏輯能夠準確驅動電機。

（三）啟動電流檢測

啟動峰值電流由電流檢測限制電阻R(CS)控制。根據應用需求選擇合適的R(CS)電阻，以確保電機能夠可靠加速到切換閾值。較重的負載可能需要更高的電流設置，但加速速率受RMP引腳連接的電阻限制。

（四）閉環控制

當電機加速到目標BEMF閾值時，換相控制從開環模式切換到閉環模式。在切換過程中，電機允許滑行一個電周期以測量Kt。閉環加速和減速值由內部控制算法和PWM輸入的占空比決定。

（五）控制超前角

為了實現最佳效率，需要控制電機的驅動狀態，使電流與電機的BEMF電壓對齊。DRV10974通過ADV引腳連接的電阻提供多種固定超前時間選項，用戶可以根據實際需求進行選擇。

五、應用與實現

（一）應用信息

DRV10974適用于無傳感器三相無刷直流（BLDC）電機控制，為家電風扇、泵和鼓風機等應用提供高性能、高可靠性、靈活且簡單的解決方案。

（二）典型應用

典型應用電路中，需要根據推薦選擇合適的外部組件，如在VCC和GND之間連接10 - μF、25 - V的陶瓷電容，在VCP和VCC之間連接100 - nF、10 - V的陶瓷電容，在V1P8和GND之間連接1 - μF ±30%、6.3 - V的陶瓷電容等。同時，通過外部電阻連接到RMP、CS和ADV引腳來設置加速曲線、電流限制和超前角。

（三）設計要求與詳細設計步驟

在設計過程中，需要考慮電機的一些關鍵參數，如電機電壓、BEMF常數、電機相電阻等。根據這些參數和應用需求，選擇合適的外部電阻來配置DRV10974的各項功能。通常，CS引腳的電阻根據應用規格確定，而RMP和ADV引腳的電阻需要通過實驗進行調整。一般先將RMP引腳設置為最慢的加速曲線，同時調整ADV引腳的電阻，使電機運行效率最佳，然后再根據需要調整RMP引腳的電阻，以實現更快的加速而不影響啟動可靠性。

六、電源供應建議

DRV10974的輸入電源電壓范圍為4.4V至18V。為了確保器件的穩定運行，需要在VCC和GND引腳之間盡可能靠近器件的位置連接一個至少10 - μF的電容。如果電源紋波超過200mV，則需要根據應用需求增加一個大容量電容。

七、布局建議

合理的布局對于DRV10974的性能至關重要。在布局時，應遵循以下原則：

1. 使用較粗的走線連接VCC、GND、U、V和W引腳，以降低電阻和電感，減少信號干擾。
2. 將10 - μF的電容盡可能靠近VCC和GND引腳放置，將100 - nF的電容盡可能靠近VCP和VCC引腳放置，以提供良好的去耦效果。
3. 將GND和PGND連接在散熱焊盤下方，確保散熱良好。
4. 保持散熱焊盤的連接面積盡可能大，應為一塊完整的銅箔，避免出現間隙。

八、總結

DRV10974是一款功能強大、設計靈活的三相無傳感器電機驅動器，具有低噪聲、外部元件數量少等優點。通過合理配置外部電阻和遵循布局原則，我們可以充分發揮其性能，為各種電機驅動應用提供可靠的解決方案。在實際設計過程中，我們還需要根據具體的應用需求進行詳細的測試和優化，以確保系統的穩定性和可靠性。希望本文對大家了解和使用DRV10974有所幫助，如果你在使用過程中遇到任何問題，歡迎在評論區留言討論。