DRV11873：高效三相無傳感器BLDC電機驅動器的深度解析

在電子工程師的日常工作中，電機驅動設計是一個關鍵且具有挑戰性的領域。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的DRV11873，一款專為風扇電機驅動應用設計的三相無傳感器BLDC電機驅動器。

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產品概述

DRV11873集成了功率MOSFET，連續驅動電流能力高達1.5A，峰值電流可達2A。它專為低噪聲、低外部元件數量的風扇電機驅動應用而設計，內置過流保護，無需外部電流檢測電阻，同步整流模式提高了電機驅動應用的效率。此外，它還提供5V LDO，可為外部負載提供高達20mA的電流，并通過FG和RD輸出以開漏輸出方式指示電機狀態。

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產品特性

1. 速度控制

DRV11873可以通過PWM IN或VCC引腳控制電機速度。在大多數情況下，電機速度與PWM IN占空比或VCC輸入電壓的曲線接近線性，但電機特性會影響該速度曲線的線性度。PWM IN引腳內部上拉至V5，頻率范圍為7 - 100kHz。當FS引腳拉高時，電機驅動MOSFET以125kHz的恒定開關頻率工作；當FS引腳拉低時，開關頻率為62.5kHz。這種高開關頻率有助于消除可聽噪聲，并降低VCC輸入電壓和電流的紋波。

2. 頻率發生器（FG）

FG輸出在正常運行條件下是一個50%占空比的方波，其頻率代表電機速度和相位信息。FG引腳是開漏輸出，需要一個外部上拉電阻連接到任何外部系統。在啟動期間，FG輸出保持高阻抗，直到電機速度達到一定水平并檢測到反電動勢（BEMF）。如果不使用FG引腳，可以將其懸空。FG引腳可以通過上拉電阻連接到V5或VCC，通常上拉電阻值可以為100kΩ或更高。在鎖定保護期間，FG輸出保持高電平，直到鎖定保護解除并完成重啟。FG引腳內置了電流限制功能，可防止意外連接VCC或V5時損壞開漏MOSFET。

3. FS設置

通過設置FS引腳，DRV11873可以適配各種類型的風扇電機。對于具有低繞組電阻和低電感的高速風扇電機，應將FS引腳拉高；對于具有高繞組電阻和高電感的低速風扇電機，應將FS引腳拉低。通過FS引腳選擇，DRV11873可應用于從低速冰箱冷卻風扇到高速服務器冷卻風扇等廣泛的應用場景。需要注意的是，FS狀態只能在設備上電期間設置。

4. 鎖定保護和RD輸出

如果電機被外力阻塞或停止，鎖定保護將在檢測時間后觸發。在鎖定檢測期間，電路會監控FG信號。如果在鎖定檢測時間內FG輸出狀態沒有改變，鎖定保護將停止驅動電機。在鎖定釋放時間后，DRV11873將恢復驅動電機。如果鎖定條件仍然存在，DRV11873將繼續下一個鎖定保護周期，直到鎖定條件解除。這種鎖定保護機制可以防止電機和設備過熱或損壞。不同的FS設置會決定不同的鎖定檢測和鎖定釋放時間。

RD引腳是開漏輸出，可以通過上拉電阻連接到V5或VCC，通常上拉電阻值可以為100kΩ或更高。在鎖定保護條件下，RD輸出保持高電平，直到鎖定保護解除并完成重啟。RD引腳也內置了電流限制功能，可防止意外連接VCC或V5時損壞開漏MOSFET。

5. 反向旋轉控制（FR）

DRV11873具有FR引腳，用于設置電機的正向或反向旋轉。在DRV11873上電時設置FR狀態。在正常運行期間，如果改變FR狀態，電機的旋轉方向不會改變。如果需要重置FR狀態，應將PWM IN拉低：如果FS為高，PWM必須拉低300μs；如果FS為低，PWM必須拉低600μs。在適當的時間拉低后，FR狀態將在PWM上升沿重置。

6. 5V LDO

DRV11873內置了一個5V LDO，可以輸出高達20mA的負載電流，可為外部提供5V偏置電壓。TI建議在PCB布局中，在V5引腳和地之間緊密連接一個2.2μF的陶瓷電容。

7. 過流保護

DRV11873可以通過連接到CS引腳和地的外部電阻來調整過流保護閾值。無需使用外部電流檢測電阻，DRV11873通過功率MOSFET來檢測電流，因此在電流檢測過程中不會產生功率損耗，提高了系統效率。過流保護閾值可以通過外部電阻的值來設置，計算公式為I(A) = 6600 / R_CS(Ω)，有效范圍為500mA < I_limit < 2000mA。在電機啟動期間，過流水平會增加到R_CS設置值的1.5倍。如果在啟動序列中觸發過流保護，電機將無法啟動。

8. UVLO（欠壓鎖定）

DRV11873內置了UVLO功能塊，UVLO閾值的滯回為200mV。當VCC達到4.1V時，設備被鎖定；當VCC上升到4.3V時，設備喚醒。

9. 熱關斷

DRV11873內置了熱關斷功能，當結溫超過160°C時，設備將關閉；當結溫降至150°C時，設備恢復運行。

10. 抗電壓浪涌（AVS）

DRV11873具有保護功能，可防止電機制動時能量返回電源。當電機制動到較低速度或停止時，AVS功能可以保護設備以及其他設備，防止VCC電壓升高。

功能模式

1. 啟動模式

在啟動時，換向邏輯以一相高、一相低、第三相關閉的方式開始驅動電機。如果在關閉相檢測到過零，換向邏輯將前進到下一步：相同的相保持高電平，關閉相變為低電平，低電平相關閉。最初，反電動勢不夠強，無法檢測到過零，在這個初始階段，換向會自動切換，直到反電動勢足夠大可以讀取。在啟動模式下，無論PWM輸入如何，都應用100%占空比。當換向邏輯連續收到4個成功的過零信號后，它將切換到正常運行模式。

在某些情況下，當設備嘗試再次啟動電機時，電機可能已經有初始速度。此時，換向邏輯將跳過啟動過程，直接進入正常運行模式。

2. 閉環控制

電機成功啟動后，啟動控制將切換到穩態運行。在穩態控制中，電機以150°換向，這是一種先進的梯形方法，允許設備逐漸將相電流驅動到最大值，并在換向時逐漸降至0。

3. AVS保護

當設備接收到減速或停止電機的命令時，為了保護IC和系統，DRV11873的AVS保護功能將起作用。該功能可以防止電源電壓VCC超過標稱值，通過監控MOSFET中的電流，當檢測到浪涌開始時，控制電流，防止其對VCC充電，從而避免電壓浪涌。

應用與實現

1. 應用信息

DRV11873僅需要五個外部元件。需要在VCC和地之間連接一個10μF或更高的陶瓷電容進行去耦。在布局時，接地銅澆鑄策略對于提高熱性能非常重要。對于兩層或更多層的PCB，建議使用八個散熱過孔。對于高電流電機，應在U、V、W相和地之間放置三個肖特基二極管，每個二極管的陽極必須接地，陰極必須連接到U、V或W相。如果電機沒有COM引腳，可以使用三個電阻以星形連接的方式模擬一個COM引腳，將一個電阻連接到U相，一個連接到V相，一個連接到W相，將電阻的另一端連接在一起，這個中心點就是COM。選擇合適的電阻值時，可以從10kΩ開始，每次減小1kΩ，直到電機正常運行。

2. 典型應用

典型應用電路包括FS、PWMIN、FR、CS、RD等引腳的連接，以及相關電容和電阻的配置。設計要求包括電機電壓范圍為5 - 16V，VCC電容應盡可能靠近引腳放置，額定負載下的運行電流不超過1.5A，啟動和電機鎖定條件下的絕對最大電流不超過2A。

詳細設計步驟如下：

1. 參考設計要求，確保系統滿足推薦的應用范圍，包括VCC電平在5 - 16V之間，電機運行時電流不超過1.5A。
2. 在構建原理圖時，遵循應用和電源供應建議。對于高電流/高速電機，在相和地之間使用三個肖特基二極管；確保VCC、V5、VCP、CPP和CPN上有足夠的電容；根據特性描述中的細節設置CS引腳上的電阻；在FG和RD引腳上使用上拉電阻；如果電機沒有公共引腳，使用應用信息中列出的方法創建一個。
3. 根據布局指南構建硬件。將電源電容盡可能靠近引腳放置；布線U、V、W和VCC走線以處理允許的電流；確保GND連接到引腳和散熱PAD；在散熱PAD上使用過孔將熱量從IC散發出去。
4. 使用應用中的電機測試系統，驗證其正常運行。

電源供應建議

DRV11873設計用于在5 - 16V的輸入電壓范圍內工作。用戶必須在VCC和GND引腳附近盡可能靠近地放置一個額定電壓為VCC的10μF陶瓷電容。如果電源紋波超過200mV，除了本地去耦電容外，還需要一個大容量電容，并根據應用要求確定其大小。如果在應用中使用了大容量電容，用戶可以將本地陶瓷電容的值減小到1μF。

布局指南

1. 使用粗走線連接VCC、GND、U、V和W引腳，因為這些走線會通過高電流。
2. 在VCC和GND之間放置一個10μF的電容，并盡可能靠近VCC和GND引腳。
3. 在CPP和CPN之間放置電容，并盡可能靠近CPP和CPN引腳。
4. 在V5和地之間放置電容，并盡可能靠近V5引腳。
5. 將地連接到散熱PAD。
6. 保持散熱PAD連接盡可能大，在底部和頂部都應是一塊沒有間隙的銅。

總結

DRV11873是一款功能強大、特性豐富的三相無傳感器BLDC電機驅動器，適用于各種風扇電機驅動應用。其內置的多種保護功能，如過流保護、UVLO、熱關斷和AVS等，提高了系統的可靠性和穩定性。在設計應用時，需要根據具體的電機特性和應用要求，合理設置各個引腳和參數，并遵循布局指南，以確保DRV11873能夠發揮最佳性能。你在使用DRV11873的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。