DRV10964：高效低噪的三相無(wú)傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，高效、低噪且集成度高的驅(qū)動(dòng)器一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討德州儀器（TI）推出的DRV10964，一款專(zhuān)為高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的三相無(wú)傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

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一、產(chǎn)品概述

DRV10964是一款集成了功率MOSFET的三相無(wú)傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)為高效率、低噪音和低外部元件數(shù)量的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其采用專(zhuān)有的無(wú)傳感器無(wú)窗口180°正弦控制方案，能有效減少電感應(yīng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超靜音電機(jī)運(yùn)行。

主要特性

• 寬輸入電壓范圍：2.1至5.5 V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 大輸出電流：具備500 - mA輸出電流能力，可驅(qū)動(dòng)多種類(lèi)型的電機(jī)。
• 低靜態(tài)電流：睡眠模式下典型靜態(tài)電流僅15 μA，有助于降低功耗。
• 低導(dǎo)通電阻：總驅(qū)動(dòng)器H + L Rdson小于1.5 Ω，減少功率損耗。
• 多重保護(hù)功能：包含電流限制、短路電流保護(hù)、鎖定檢測(cè)、抗電壓浪涌（AVS）、欠壓鎖定（UVLO）和熱關(guān)斷等功能，確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

應(yīng)用領(lǐng)域

該驅(qū)動(dòng)器適用于多種散熱風(fēng)扇應(yīng)用，如筆記本CPU風(fēng)扇、游戲站CPU風(fēng)扇和ASIC冷卻風(fēng)扇等。

二、產(chǎn)品詳細(xì)參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

• 結(jié)溫范圍：–40至150 °C。
• 最大引腳焊接溫度（10秒）：260 °C。
• 存儲(chǔ)溫度范圍：–55至150 °C。

ESD額定值

• 人體模型（HBM）：±2500 V。
• 充電設(shè)備模型（CDM）：±1000 V。

推薦工作條件

• 結(jié)溫范圍：–40至125 °C。
• 結(jié)到外殼（底部）熱阻：2.9 °C/W。

電氣特性

三、功能特性詳解

睡眠模式

當(dāng)PWM命令占空比輸入低于0.38%但不為0%時(shí)，相位輸出將進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，驅(qū)動(dòng)器停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但邏輯仍保持活躍，電流消耗為IVCC。當(dāng)PWM命令占空比輸入為0%（且持續(xù)時(shí)間至少為tSLEEP）時(shí)，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入低功耗睡眠模式，大部分電路將被禁用，以最小化系統(tǒng)電流，此時(shí)電流消耗為IVCC_SLEEP。當(dāng)PWM命令占空比輸入變?yōu)檫壿嫺呋騊WM輸入引腳浮空時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將從睡眠模式恢復(fù)。

速度輸入和控制

DRV10964提供三相25 - kHz PWM輸出，其平均電壓為正弦波。輸出幅度由電源電壓（VCC）和PWM占空比決定，公式為Vph_pk = PWMdc × VCC。電機(jī)速度通過(guò)PWM命令間接控制施加到電機(jī)的相電壓幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電機(jī)方向改變

通過(guò)設(shè)置FR（正反轉(zhuǎn)）引腳的邏輯電平為1或0，可輕松配置驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方向。FR = 0時(shí)，電機(jī)方向?yàn)閁 -> V -> W；FR = 1時(shí)，電機(jī)方向?yàn)閁 -> W -> V。

電機(jī)頻率反饋（FG）

在驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行期間，F(xiàn)G引腳提供電機(jī)速度指示。電機(jī)速度計(jì)算公式根據(jù)FGS引腳狀態(tài)而定：若FGS = 0，RPM = (FREQFG × 60) / 極對(duì)數(shù)；若FGS = 1，RPM = (FREQFG × 60 × 3) / 極對(duì)數(shù)。FG引腳還具備短路保護(hù)功能。

鎖定檢測(cè)

當(dāng)電機(jī)因外部因素鎖定時(shí)，DRV10964能檢測(cè)到鎖定狀況，并采取措施保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。它具有5種不同的鎖定檢測(cè)方案，包括無(wú)電機(jī)檢測(cè)、頻率溢出檢測(cè)、反電動(dòng)勢(shì)異常檢測(cè)、加速異常檢測(cè)和速度異常檢測(cè)。

短路電流保護(hù)

當(dāng)任何電機(jī)相電流超過(guò)短路保護(hù)限制ISHT時(shí)，短路電流保護(hù)功能將電機(jī)相置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在短路條件消除后，驅(qū)動(dòng)器將重新初始化并嘗試重啟電機(jī)。

抗電壓浪涌（AVS）

該功能可防止電機(jī)中的電感能量或角動(dòng)量（機(jī)械能）返回電源，保護(hù)驅(qū)動(dòng)器和其他連接到電源的組件。它分為保護(hù)機(jī)械能返回和保護(hù)電感能量返回兩種情況。

過(guò)溫保護(hù)

當(dāng)器件結(jié)溫超過(guò)TSD時(shí)，熱關(guān)斷功能將禁用電機(jī)操作；當(dāng)結(jié)溫低于TSD - TSD_HYS時(shí)，電機(jī)操作將恢復(fù)。

欠壓保護(hù)

欠壓鎖定功能可防止在電源電壓（VCC）過(guò)低時(shí)電機(jī)運(yùn)行。上電后，當(dāng)VCC高于VUVLO_H時(shí)，驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始工作；當(dāng)VCC低于VUVLO_L時(shí)，驅(qū)動(dòng)器停止工作。

CONFIG配置

CONFIG引腳可通過(guò)連接VCC和GND之間的電阻分壓器來(lái)選擇開(kāi)環(huán)到閉環(huán)的閾值。

四、設(shè)備功能模式

啟動(dòng)設(shè)置

• 電機(jī)Kt和Rm測(cè)量：在電機(jī)初始啟動(dòng)期間測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)和電阻，用于控制電機(jī)時(shí)序。
• 電機(jī)啟動(dòng)：按照特定程序啟動(dòng)電機(jī)，包括初始速度檢測(cè)、對(duì)齊、開(kāi)環(huán)加速和閉環(huán)控制等階段。
• 初始速度檢測(cè)（ISD）：通過(guò)相比較器檢測(cè)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)電壓的過(guò)零情況，確定電機(jī)的初始狀態(tài)。
• 對(duì)齊：通過(guò)在V和W相施加50%占空比，同時(shí)將U相接地，使轉(zhuǎn)子與換向邏輯對(duì)齊。
• 切換和閉環(huán)控制：當(dāng)電機(jī)加速到由CONFIG引腳電壓定義的速度時(shí)，換向控制從開(kāi)環(huán)模式過(guò)渡到閉環(huán)模式。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

典型應(yīng)用

DRV10964常用于無(wú)傳感器三相BLDC電機(jī)控制，為計(jì)算機(jī)風(fēng)扇應(yīng)用提供高性能、高可靠性、靈活且簡(jiǎn)單的解決方案。典型應(yīng)用電路包括VCC、PWM、FG、CONFIG、FGS、FR等引腳的連接。

設(shè)計(jì)要求

DRV10964能夠驅(qū)動(dòng)的電機(jī)具有一定的特性范圍，如電機(jī)相電阻Rm為2.5 - 10 Ω，相電感Lm為50 - 1000 μH，反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Kt為1 - 100 mV/Hz，最大電氣頻率fFG_max為1300 Hz。但這并不意味著超出這些范圍的電機(jī)不能被驅(qū)動(dòng)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 確保系統(tǒng)滿足推薦應(yīng)用范圍。
2. 參考DRV10964調(diào)諧指南，測(cè)量電機(jī)參數(shù)。
3. 使用DRV10964 GUI配置參數(shù)，優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行。
4. 根據(jù)布局指南構(gòu)建硬件。
5. 將設(shè)備連接到系統(tǒng)并驗(yàn)證系統(tǒng)解決方案。

六、電源與布局建議

電源建議

DRV10964設(shè)計(jì)用于2.1至5.5 V的輸入電壓供應(yīng)，用戶應(yīng)在VCC和GND引腳附近盡可能靠近地放置一個(gè)2.2 - μF的陶瓷電容。

布局指南

該器件采用外露焊盤(pán)散熱，為確保正常工作，需將焊盤(pán)與PCB上的銅層進(jìn)行熱連接。在多層PCB上，可通過(guò)添加過(guò)孔將熱焊盤(pán)連接到接地層；在無(wú)內(nèi)部平面的PCB上，可在PCB兩側(cè)添加銅面積散熱。

七、總結(jié)

DRV10964憑借其豐富的功能特性、良好的電氣性能和靈活的應(yīng)用模式，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們可以根據(jù)具體需求，合理配置參數(shù)，優(yōu)化電路布局，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。大家在使用DRV10964的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。