DRV10964：高效低噪的三相無傳感器BLDC電機驅動器

在電機驅動領域，高效、低噪且集成度高的驅動器一直是工程師們追求的目標。今天，我們就來詳細探討德州儀器（TI）推出的DRV10964，一款專為高性能電機驅動應用設計的三相無傳感器電機驅動器。

文件下載：drv10964.pdf

一、產品概述

DRV10964是一款集成了功率MOSFET的三相無傳感器電機驅動器，專為高效率、低噪音和低外部元件數量的電機驅動應用而設計。其采用專有的無傳感器無窗口180°正弦控制方案，能有效減少電感應轉矩脈動，實現超靜音電機運行。

主要特性

• 寬輸入電壓范圍：2.1至5.5 V，能適應多種電源環境。
• 大輸出電流：具備500 - mA輸出電流能力，可驅動多種類型的電機。
• 低靜態電流：睡眠模式下典型靜態電流僅15 μA，有助于降低功耗。
• 低導通電阻：總驅動器H + L Rdson小于1.5 Ω，減少功率損耗。
• 多重保護功能：包含電流限制、短路電流保護、鎖定檢測、抗電壓浪涌（AVS）、欠壓鎖定（UVLO）和熱關斷等功能，確保系統安全可靠運行。

應用領域

該驅動器適用于多種散熱風扇應用，如筆記本CPU風扇、游戲站CPU風扇和ASIC冷卻風扇等。

二、產品詳細參數

絕對最大額定值

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

ESD額定值

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

推薦工作條件

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

電氣特性

三、功能特性詳解

睡眠模式

當PWM命令占空比輸入低于0.38%但不為0%時，相位輸出將進入高阻抗狀態，驅動器停止驅動電機，但邏輯仍保持活躍，電流消耗為IVCC。當PWM命令占空比輸入為0%（且持續時間至少為tSLEEP）時，驅動器進入低功耗睡眠模式，大部分電路將被禁用，以最小化系統電流，此時電流消耗為IVCC_SLEEP。當PWM命令占空比輸入變為邏輯高或PWM輸入引腳浮空時，驅動器將從睡眠模式恢復。

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。電機速度通過PWM命令間接控制施加到電機的相電壓幅度來實現。

電機方向改變

通過設置FR（正反轉）引腳的邏輯電平為1或0，可輕松配置驅動器驅動電機的方向。FR = 0時，電機方向為U -> V -> W；FR = 1時，電機方向為U -> W -> V。

電機頻率反饋（FG）

在驅動器運行期間，FG引腳提供電機速度指示。電機速度計算公式根據FGS引腳狀態而定：若FGS = 0，RPM = (FREQFG × 60) / 極對數；若FGS = 1，RPM = (FREQFG × 60 × 3) / 極對數。FG引腳還具備短路保護功能。

鎖定檢測

當電機因外部因素鎖定時，DRV10964能檢測到鎖定狀況，并采取措施保護電機和驅動器。它具有5種不同的鎖定檢測方案，包括無電機檢測、頻率溢出檢測、反電動勢異常檢測、加速異常檢測和速度異常檢測。

短路電流保護

當任何電機相電流超過短路保護限制ISHT時，短路電流保護功能將電機相置于高阻抗狀態，關閉電機驅動。在短路條件消除后，驅動器將重新初始化并嘗試重啟電機。

抗電壓浪涌（AVS）

該功能可防止電機中的電感能量或角動量（機械能）返回電源，保護驅動器和其他連接到電源的組件。它分為保護機械能返回和保護電感能量返回兩種情況。

過溫保護

當器件結溫超過TSD時，熱關斷功能將禁用電機操作；當結溫低于TSD - TSD_HYS時，電機操作將恢復。

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。上電后，當VCC高于VUVLO_H時，驅動器開始工作；當VCC低于VUVLO_L時，驅動器停止工作。

CONFIG配置

CONFIG引腳可通過連接VCC和GND之間的電阻分壓器來選擇開環到閉環的閾值。

四、設備功能模式

啟動設置

• 電機Kt和Rm測量：在電機初始啟動期間測量電機的轉矩常數和電阻，用于控制電機時序。
• 電機啟動：按照特定程序啟動電機，包括初始速度檢測、對齊、開環加速和閉環控制等階段。
• 初始速度檢測（ISD）：通過相比較器檢測電機反電動勢電壓的過零情況，確定電機的初始狀態。
• 對齊：通過在V和W相施加50%占空比，同時將U相接地，使轉子與換向邏輯對齊。
• 切換和閉環控制：當電機加速到由CONFIG引腳電壓定義的速度時，換向控制從開環模式過渡到閉環模式。

五、應用與實現

典型應用

DRV10964常用于無傳感器三相BLDC電機控制，為計算機風扇應用提供高性能、高可靠性、靈活且簡單的解決方案。典型應用電路包括VCC、PWM、FG、CONFIG、FGS、FR等引腳的連接。

設計要求

DRV10964能夠驅動的電機具有一定的特性范圍，如電機相電阻Rm為2.5 - 10 Ω，相電感Lm為50 - 1000 μH，反電動勢常數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不能被驅動。

詳細設計步驟

1. 確保系統滿足推薦應用范圍。
2. 參考DRV10964調諧指南，測量電機參數。
3. 使用DRV10964 GUI配置參數，優化電機運行。
4. 根據布局指南構建硬件。
5. 將設備連接到系統并驗證系統解決方案。

六、電源與布局建議

電源建議

DRV10964設計用于2.1至5.5 V的輸入電壓供應，用戶應在VCC和GND引腳附近盡可能靠近地放置一個2.2 - μF的陶瓷電容。

布局指南

該器件采用外露焊盤散熱，為確保正常工作，需將焊盤與PCB上的銅層進行熱連接。在多層PCB上，可通過添加過孔將熱焊盤連接到接地層；在無內部平面的PCB上，可在PCB兩側添加銅面積散熱。

七、總結

DRV10964憑借其豐富的功能特性、良好的電氣性能和靈活的應用模式，為電機驅動應用提供了一個優秀的解決方案。在實際設計中，工程師們可以根據具體需求，合理配置參數，優化電路布局，以實現高效、可靠的電機驅動系統。大家在使用DRV10964的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有什么獨特的應用經驗呢？歡迎在評論區分享交流。