DRV10975：三相無傳感器BLDC電機驅動的理想之選

在電機驅動領域，找到一款性能卓越、功能豐富且適配多種應用場景的驅動芯片是工程師們一直追求的目標。德州儀器（TI）的DRV10975和DRV10975Z就是這樣的優質產品，它們為三相無傳感器BLDC電機驅動帶來了出色的解決方案。今天，我們就來深入了解一下DRV10975的各項特性、功能以及應用設計要點。

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一、產品概述

DRV10975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1.5A的連續驅動電流。它專為對成本敏感、低噪聲、外部元件數量少的應用而設計，適用于12V電機驅動場景。該芯片具有多種靈活的用戶接口選項，可通過簡單的I2C接口進行配置，以適應不同客戶應用的電機參數和啟動曲線。

二、產品特性剖析

2.1 電氣特性優勢

• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為6.5V至18V，能適應多種不同的電源環境，為設計提供了更大的靈活性。
• 低導通電阻：總驅動（H + L） (r_{DS(on)}) 僅為250mΩ，有效降低了功率損耗，提高了系統效率。
• 高驅動電流能力：可提供1.5A的連續繞組電流（2A峰值），滿足大多數電機的驅動需求。

2.2 控制方案亮點

• 無傳感器BEMF控制：采用專有的無傳感器反電動勢（BEMF）控制方案，實現連續正弦波180°換向，無需外部感應電阻，大大減少了外部元件數量，降低了成本。不過，如果需要監測電機功率，用戶也可以選擇添加外部感應電阻。
• 靈活的用戶接口：支持多種用戶接口選項，包括I2C接口，可用于訪問寄存器進行命令和反饋；專用的SPEED引腳，可接受模擬或PWM輸入；專用的FG引腳，提供轉速反饋；通過EEPROM可自定義啟動曲線；通過DIR引腳實現正反轉控制。

2.3 集成式穩壓方案

集成了降壓穩壓器，可高效地為內部和外部電路提供5V或3.3V電壓。不同版本的芯片在功耗上有所差異，DRV10975待機版本的電源電流為4.5mA，而DRV10975Z睡眠版本的電源電流僅為80μA，能有效降低功耗。

2.4 多重保護機制

具備過流保護、鎖定檢測、電壓浪涌保護、欠壓鎖定（UVLO）保護和熱關斷保護等多種保護機制，確保了芯片在各種復雜工況下的可靠運行。

2.5 散熱優化封裝

采用熱增強型24引腳HTSSOP封裝，有助于更好地散熱，保證芯片在高溫環境下的穩定性。

三、功能模塊詳解

3.1 調節器

• 降壓調節器：DRV10975包含一個滯回降壓電壓調節器，可工作在開關降壓模式（使用外部電感）或線性調節模式（使用外部電阻）。在降壓模式下能實現最佳效率，但DRV10975Z睡眠模式版本僅支持線性調節模式，并需配合齊納二極管使用。調節器輸出電壓可通過寄存器位VregSel進行配置，推薦將其設置為5V以獲得更清潔、低諧波的相電流。
• 3.3V和1.8V LDO：還集成了3.3V LDO和1.8V LDO。3.3V LDO由Vreg供電，主要為內部電路供電，也可驅動不超過 (I_{V3P3_MAX}) 的外部負載；1.8V LDO由3.3V LDO供電，僅用于內部電路。

3.2 保護電路

• 熱關斷：當結溫超過 (T{SDN}) °C時，芯片會自動關閉，當結溫降至 (T{SDN}-T_{SDN_HYS}) °C時恢復工作。在熱關斷期間，OverTemp狀態位（地址0x10位7）會被置位。
• 欠壓鎖定（UVLO）：內置的UVLO功能塊具有一定的滯后性，當VCC降至 (V_{UVLOF}) 時，芯片被鎖定，當VCC上升到 (V{UVLO_R}) 時喚醒。
• 過流保護（OCP）：當檢測到FET電流超過 (I_{OC_limit}) 閾值時，過流保護功能會將輸出驅動器置于高阻抗狀態，直到過流情況消失。此時，OverCurr狀態位（地址0x10位5）會被置位。
• 鎖定保護：當電機被外部力阻塞或停止時，鎖定保護觸發，芯片立即停止驅動電機。經過鎖定釋放時間 (t_{LOCK_OFF}) 后，芯片會嘗試重新驅動電機。在鎖定期間，MtrLck狀態位（地址0x10，位4）會被置位。

3.3 電機速度控制

DRV10975提供了四種間接控制電機速度的方法，通過調整輸出電壓幅值來實現。用戶可以通過改變電源電壓 (V_{CC}) 或控制速度命令來調節電機速度。速度命令可以通過PWM輸入（SPEED引腳配置為PWM模式）、模擬輸入（SPEED引腳配置為模擬模式）或直接通過I2C串口寫入SpdCtrl[8:0]來設置。

3.4 睡眠或待機狀態

芯片有睡眠模式和待機模式兩種版本。進入睡眠或待機狀態時，電機停止驅動以節省能量。睡眠模式下，降壓調節器被禁用，I2C接口也被禁用，未存儲在EEPROM中的寄存器數據會被重置；待機模式下，降壓調節器保持活躍，寄存器數據得以保留，I2C接口仍然可用。設置sleepDis = 1可防止芯片進入睡眠或待機狀態，但如果芯片已經處于該狀態，設置此位無效。

3.5 非易失性存儲器

DRV10975擁有96位的EEPROM數據，用于編程電機參數。編程EEPROM時，建議在電機不旋轉的狀態下進行，編程完成后進行電源循環，并讀回EEPROM數據以驗證編程是否成功。

四、設備功能模式

4.1 電機參數配置

電機相電阻和BEMF常數（Kt）是表征BLDC電機的兩個重要參數，需要在寄存器中進行配置。對于星形連接的電機，電機相電阻是指相輸出到中心抽頭的電阻；對于三角形連接的電機，需要將其等效為星形連接來計算相電阻。這些電阻值需要轉換為7位數字寄存器值進行編程。

4.2 不同初始條件下的電機啟動

電機在啟動時可能處于靜止、正轉或反轉三種狀態。DRV10975針對不同狀態提供了相應的啟動方案：

• 電機靜止：可通過初始位置檢測（IPD）或Align and Go技術來初始化換向邏輯，使其與電機位置同步。
• 電機正轉：如果電機以足夠的速度正轉，可配置芯片直接進入閉環控制，以實現最快的啟動時間。
• 電機反轉：可通過反向驅動使電機加速通過零速度，也可以選擇等待電機停止或制動電機，然后按照靜止電機的啟動順序重新啟動。

4.3 電機啟動序列

電機啟動序列包括多個判斷和狀態轉換過程，如初始速度檢測（ISD）判斷、正反轉判斷、反向驅動判斷、制動判斷、IPD判斷等，最終使電機進入閉環運行狀態。在啟動過程中，如果DIR引腳狀態發生改變，芯片會停止驅動電機并重新開始啟動序列。

4.4 啟動電流設置

啟動電流設置用于控制開環期間的峰值啟動電流，通過編程OpenLCurr[1:0]位來設置。同時，為了避免電流突變引起的聲學噪聲，芯片還提供了啟動電流斜坡上升功能，可通過OpLCurrRt[2:0]設置最大電壓斜坡上升速率。

4.5 閉環控制

在閉環運行中，DRV10975不斷采樣電機U相電流，以此估算BEMF電壓，并根據估算結果控制電機的驅動狀態。閉環控制具有半周期控制和全周期控制兩種模式，用戶可根據應用需求進行選擇。此外，芯片還提供了模擬模式、數字PWM輸入模式和I2C模式三種速度控制方式，以及閉環加速功能和控制系數調整功能，以優化控制性能。

4.6 電流限制

DRV10975具有多種電流限制模式，包括加速電流限制、鎖定檢測電流限制和過流保護，以確保電機的最佳控制和安全運行。

4.7 鎖定檢測和故障處理

芯片提供了五種鎖定檢測方案，可快速、可靠地檢測電機是否鎖定。當檢測到鎖定或無電機連接情況時，芯片會將輸出驅動器置于高阻抗狀態，并采取抗電壓浪涌（AVS）措施。經過鎖定釋放時間 (t_{LOCK_OFF}) 后，系統會嘗試重新啟動。

4.8 AVS功能

AVS功能用于防止電機的機械能或電感性能量返回電源，導致 (V_{CC}) 電壓升高。它包括機械AVS功能和電感AVS功能，可通過寄存器配置位獨立禁用。

4.9 PWM輸出

DRV10975提供16種PWM死區時間選項，可配置為40ns至640ns，以防止橋接FET直通。同時，芯片還提供25kHz和50kHz兩種PWM開關頻率選項，建議在50kHz PWM開關頻率下估算Kt有30%左右誤差時，選擇25kHz的開關頻率。

4.10 FG自定義配置

FG引腳可提供電機速度和驅動狀態信息，其輸出頻率可通過FGcycle[1:0]進行配置。在開環和鎖定狀態下，FG輸出有三種控制選項，可根據FGOLsel[1:0]的設置進行選擇。

4.11 診斷和可見性

DRV10975通過I2C接口提供了對電機系統運行狀態的廣泛可見性，用戶可以監測設備狀態、電機速度、電源電壓、速度命令、電機相電壓幅值、故障狀態等信息。

五、應用與實現

5.1 應用信息

DRV10975適用于無傳感器三相BLDC電機控制，為家電風扇、泵和HVAC等應用提供了高性能、高可靠性、靈活且簡單的解決方案。對于DRV10975Z睡眠模式設備，需要在10μF (V_{REG}) 電容器旁并聯一個齊納二極管。在連接時，應按照特定順序進行，以避免熱插拔和浮地問題。

5.2 典型應用

5.2.1 設計要求

在設計系統時，需要確保系統滿足推薦的應用范圍，包括電機電壓、BEMF常數、相 - 相電阻、相 - 相電感、工作閉環速度、工作電流和絕對最大電流等參數要求。同時，建議選擇相 - 相電阻 (R_{ph - ph}) 大于4Ω的電機，以獲得更清潔、低諧波的相電流。

5.2.2 詳細設計步驟

• 確保系統滿足推薦的應用范圍。
• 參考DRV10983和DRV10975調優指南，測量電機參數。
• 使用DRV10975 GUI配置參數，并優化電機運行。
• 參考編程指南將調優設置燒錄到EEPROM中。
• 根據布局指南構建硬件。
• 將設備連接到系統中并驗證系統解決方案。

六、電源供應與布局建議

6.1 電源供應

DRV10975設計用于6.5V至18V的輸入電壓范圍，用戶需要在 (V_{CC}) 和GND引腳附近放置一個10μF的陶瓷電容。如果電源紋波超過200mV，還需要根據應用需求添加大容量電容。

6.2 布局建議

在布局時，應使用粗走線連接 (V{CC}) 、GND、U、V和W引腳，以承載高電流。將10μF電容放置在 (V{CC}) 和GND引腳附近，將電容放置在CPP和CPN引腳附近。同時，要確保GND、PGND和SWGND與散熱墊連接良好，散熱墊的連接面積應盡可能大。

七、總結

DRV10975以其豐富的功能、出色的性能和靈活的配置選項，為三相無傳感器BLDC電機驅動提供了一個優秀的解決方案。無論是從電氣特性、控制方案，還是保護機制和應用設計方面，都展現出了強大的優勢。作為電子工程師，在設計相關電機驅動系統時，DRV10975無疑是一個值得考慮的選擇。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的應用經驗，歡迎在評論區分享交流。