DRV595：一款高效的PWM功率驅(qū)動(dòng)器

作為一名電子工程師，在設(shè)計(jì)中選擇合適的功率驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。今天，我要詳細(xì)為大家介紹德州儀器（TI）的DRV595——一款15V/±4A的高效PWM功率驅(qū)動(dòng)器，它在諸多應(yīng)用場景中都有著出色的表現(xiàn)。

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一、產(chǎn)品概述

DRV595是一款適用于4.5V至26V供電系統(tǒng)的高效、大電流功率驅(qū)動(dòng)器，能驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載。它采用PWM操作和低輸出級導(dǎo)通電阻，顯著降低了放大器的功耗。其先進(jìn)的振蕩器/PLL電路提供多種開關(guān)頻率選項(xiàng)，并支持主/從模式同步，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的同步運(yùn)行。

1.1 主要特性

• 輸出能力：±4A輸出電流，能滿足大電流負(fù)載需求。
• 供電范圍廣：4.5V - 26V的寬電源電壓范圍，增強(qiáng)了其在不同電源環(huán)境下的適用性。
• 高效低發(fā)熱：高效率設(shè)計(jì)，減少了發(fā)熱，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
• 多開關(guān)頻率：支持多種開關(guān)頻率，最高可達(dá)1.2MHz，還具備主/從同步功能。
• 高PSRR反饋架構(gòu)：降低了對電源的要求，減少了電源紋波的影響。
• 單電源設(shè)計(jì)：減少了組件數(shù)量，簡化了電路設(shè)計(jì)。
• 集成保護(hù)：具備過壓、欠壓、過溫、短路保護(hù)及錯(cuò)誤報(bào)告功能，保障了設(shè)備的安全運(yùn)行。
• 熱增強(qiáng)封裝：采用DAP（32 - 引腳HTSSOP Pad - down）封裝，散熱性能良好。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至85°C，適應(yīng)不同的環(huán)境條件。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

DRV595的應(yīng)用非常廣泛，包括電力線通信（PLC）驅(qū)動(dòng)器、熱電冷卻器（TEC）驅(qū)動(dòng)器、激光二極管偏置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和伺服放大器等。

二、引腳配置與功能

2.1 引腳配置

DRV595采用32 - 引腳HTSSOP（DAP）封裝，其引腳配置有明確的定義，不同引腳承擔(dān)著不同的功能。

2.2 引腳功能

從這些引腳功能可以看出，工程師可以通過控制不同引腳的電平來實(shí)現(xiàn)對DRV595的模式選擇、開關(guān)控制和故障監(jiān)測等操作。那么在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該如何合理利用這些引腳功能呢？這就需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求來進(jìn)行設(shè)計(jì)了。

三、電氣特性

3.1 絕對最大額定值

在使用DRV595時(shí)，需要注意其絕對最大額定值，如電源電壓PVcc、AVcc范圍為 - 0.3至30V，輸入電壓IN +、IN - 范圍為 - 0.3至6.3V等。超過這些額定值可能會(huì)對設(shè)備造成永久性損壞。

3.2 推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓、輸入電壓高低電平、輸出電壓低電平等參數(shù)。例如，電源電壓PVcc、AVcc的推薦范圍是4.5至26V，這能確保設(shè)備在正常工作狀態(tài)下發(fā)揮最佳性能。

3.3 電氣參數(shù)

電氣參數(shù)包括輸出失調(diào)電壓、靜態(tài)電源電流、導(dǎo)通電阻、增益等。以增益為例，通過不同的電阻配置可以設(shè)置不同的增益值，如主模式下，當(dāng)R1 = open，R2 = 20kΩ時(shí)，增益為20dB。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們?nèi)绾胃鶕?jù)這些參數(shù)選擇合適的外部元件呢？這需要我們對電路的性能要求有清晰的認(rèn)識。

四、典型特性

4.1 效率與負(fù)載電阻關(guān)系

通過典型特性曲線可以看出，DRV595的功率效率與負(fù)載電阻和輸出功率有關(guān)。在不同的開關(guān)頻率和輸出功率下，效率會(huì)隨著負(fù)載電阻的變化而變化。例如，在TA = 25°C，fS = 1MHz，增益為20dB的條件下，輸出功率為1W時(shí)，效率隨著負(fù)載電阻的增加而提高。這就提醒我們在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的功率需求和負(fù)載電阻來優(yōu)化電路，提高效率。

4.2 導(dǎo)通電阻與電壓、溫度關(guān)系

導(dǎo)通電阻與電源電壓和環(huán)境溫度也有關(guān)系。隨著電源電壓的升高，導(dǎo)通電阻會(huì)減小；而隨著環(huán)境溫度的升高，導(dǎo)通電阻會(huì)增大。了解這些關(guān)系有助于我們在不同的工作環(huán)境下對電路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和調(diào)整。比如在高溫環(huán)境下，我們需要考慮導(dǎo)通電阻增大對電路性能的影響，并采取相應(yīng)的散熱措施。

五、應(yīng)用信息

5.1 輸出濾波器考慮

在驅(qū)動(dòng)TEC元件時(shí)，需要使用輸出濾波器來防止過多的紋波到達(dá)TEC元件，避免對其造成損壞。一般推薦使用二階巴特沃斯低通濾波器，將截止頻率設(shè)置為幾千赫茲。在實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，我們需要根據(jù)TEC元件的規(guī)格來確定濾波器的參數(shù)，確保濾波器能夠有效降低開關(guān)波形，減少紋波對TEC元件的影響。

5.2 啟動(dòng)順序

為確保上電時(shí)正常運(yùn)行，應(yīng)在PVCC和AVCC穩(wěn)定10ms后再使用模擬輸入IN - 和IN +。嚴(yán)格遵循這個(gè)啟動(dòng)順序可以避免設(shè)備在啟動(dòng)過程中出現(xiàn)異常，保證電路的穩(wěn)定性。

5.3 增益設(shè)置與主/從模式

DRV595的增益通過連接到GAIN/SLV控制引腳的分壓器設(shè)置，同時(shí)該引腳還控制主/從模式。內(nèi)部ADC用于檢測4種輸入狀態(tài)，不同狀態(tài)對應(yīng)不同的增益和主/從模式。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇合適的增益和主/從模式，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。

5.4 輸入阻抗與耦合電容

輸入級是全差分輸入級，輸入阻抗會(huì)隨著增益設(shè)置而變化，從36dB增益時(shí)的9kΩ到20dB增益時(shí)的60kΩ。根據(jù)輸入阻抗的不同，需要選擇合適的交流耦合電容，以保證信號的正常傳輸。那么如何根據(jù)輸入阻抗準(zhǔn)確選擇耦合電容呢？這需要我們結(jié)合電路的頻率特性和信號要求來進(jìn)行計(jì)算。

5.5 啟動(dòng)/關(guān)機(jī)操作

DRV595具有關(guān)機(jī)模式，可在不使用時(shí)將電源電流降至最低。正常工作時(shí)，SDZ輸入應(yīng)保持高電平；拉低SDZ會(huì)使輸出進(jìn)入高阻態(tài)，放大器進(jìn)入低電流狀態(tài)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)系統(tǒng)的工作模式和功耗要求，合理控制SDZ引腳，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的電源管理。

5.6 GVDD電源與電容

GVDD電源用于為輸出全橋晶體管的柵極供電，并可為GAIN/SLV分壓器供電。需要使用1μF的X5R陶瓷電容將其與地去耦。同時(shí)，為了限制電流消耗，建議使用100kΩ或更大的電阻分壓器。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們要注意GVDD電源的穩(wěn)定性和去耦電容的選擇，確保其能為晶體管和分壓器提供穩(wěn)定的電源。

5.7 BSP和BSN電容

全H橋輸出級僅使用NMOS晶體管，需要在每個(gè)輸出的高端連接一個(gè)220nF的X5R或更好的陶瓷電容作為自舉電容，以確保晶體管正確導(dǎo)通。這些自舉電容在電路中起著關(guān)鍵作用，它們?yōu)楦叨薔溝道功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路提供浮動(dòng)電源，保證了電路的正常工作。

5.8 差分或單端輸入

差分輸入級可消除通道兩條輸入線上出現(xiàn)的噪聲。使用差分信號源時(shí)，將信號源的正負(fù)極分別連接到IN + 和IN -；使用單端信號源時(shí)，需使用分壓器將IN - 偏置到3.0V，并將單端信號施加到IN +。在實(shí)際應(yīng)用中，我們要根據(jù)信號源的類型選擇合適的輸入方式，以提高電路的抗干擾能力。

六、保護(hù)系統(tǒng)

6.1 故障報(bào)告

DRV595包含一套完整的保護(hù)電路，可防止設(shè)備因短路、過載、過溫、欠壓等故障而損壞。FAULTZ引腳會(huì)根據(jù)故障表報(bào)告錯(cuò)誤。例如，當(dāng)輸出短路或輸出到PVCC或GND短路時(shí)，F(xiàn)AULTZ引腳輸出低電平，輸出進(jìn)入高阻態(tài)，并且故障為鎖存型。

6.2 短路保護(hù)與自動(dòng)恢復(fù)

當(dāng)輸出級出現(xiàn)短路導(dǎo)致過流時(shí)，F(xiàn)AULTZ引腳會(huì)將短路保護(hù)故障報(bào)告為低電平，放大器輸出切換到高阻態(tài)。可通過將SDZ引腳拉低來清除鎖存。若需要自動(dòng)恢復(fù)功能，可將FAULTZ引腳直接連接到SDZ引腳。這種短路保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)機(jī)制可以有效保護(hù)設(shè)備，提高系統(tǒng)的可靠性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們是否需要使用自動(dòng)恢復(fù)功能呢？這需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和系統(tǒng)要求來決定。

6.3 熱保護(hù)

當(dāng)內(nèi)部管芯溫度超過150°C時(shí)，熱保護(hù)功能會(huì)使設(shè)備進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，輸出禁用，F(xiàn)AULTZ引腳輸出低電平。同樣，若需要自動(dòng)恢復(fù)功能，可將FAULTZ引腳直接連接到SDZ引腳。熱保護(hù)功能可以避免設(shè)備因過熱而損壞，延長設(shè)備的使用壽命。在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)，我們需要考慮熱保護(hù)的觸發(fā)點(diǎn)和恢復(fù)機(jī)制，確保設(shè)備在不同的工作環(huán)境下都能正常運(yùn)行。

七、調(diào)制方案

7.1 BD調(diào)制

當(dāng)MODSEL = GND時(shí)，DRV595工作在BD調(diào)制模式。這種模式下，通過TEC負(fù)載的紋波電流較小，輸出在0V和電源電壓之間切換。在無輸入時(shí)，OUTP和OUTN同相，負(fù)載中電流很小或無電流。不同輸出電壓下，OUTP和OUTN的占空比不同，能有效降低負(fù)載中的(I^{2}R)損耗。這種調(diào)制模式適用于對紋波電流要求較高的應(yīng)用場景。

7.2 1SPW調(diào)制

當(dāng)MODSEL = HIGH時(shí)，DRV595工作在1SPW調(diào)制模式。該模式可提高效率，但會(huì)增加紋波電流，對輸出濾波器的選擇要求更高。在空閑狀態(tài)下，輸出以約15%的調(diào)制率工作；施加輸入信號時(shí)，一個(gè)輸出減小，另一個(gè)增加，通常只有一個(gè)輸出在切換。這種調(diào)制模式在追求高效率的應(yīng)用中具有優(yōu)勢，但在濾波器設(shè)計(jì)上需要更加謹(jǐn)慎，以減少紋波電流對電路的影響。

八、功率耗散與PCB布局

8.1 功率耗散

雖然DRV595比傳統(tǒng)線性解決方案效率高，但輸出晶體管導(dǎo)通電阻上的功率降會(huì)產(chǎn)生一定熱量。可根據(jù)公式(P{DISS }=(I{OUT })^{2} ×r{D S( on )})計(jì)算功率耗散，并根據(jù)(T{A}=T{J}-left(theta{J A} × P_{DISS }right))計(jì)算最大環(huán)境溫度。在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)，我們可以根據(jù)這些公式來計(jì)算和評估設(shè)備的散熱需求，選擇合適的散熱措施。

8.2 PCB布局

PCB布局時(shí)需注意滿足EMC要求。例如，高頻去耦電容應(yīng)盡可能靠近PVCC和AVCC端子，大的電源去耦電容應(yīng)靠近DRV595放置在PVCC電源上。同時(shí)，所有接地應(yīng)連接到IC GND，作為中央接地連接。一個(gè)合理的PCB布局可以提高電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力，減少電磁干擾對設(shè)備的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以參考DRV595評估模塊（DRV595EVM）用戶手冊來進(jìn)行PCB布局。

九、總結(jié)

DRV595是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的PWM功率驅(qū)動(dòng)器，具有多種特性和保護(hù)功能，適用于多種應(yīng)用場景。在使用DRV595進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電子工程師需要充分了解其特性、引腳功能、電氣參數(shù)、應(yīng)用信息等方面的知識，合理運(yùn)用其各種功能，同時(shí)注意PCB布局和散熱設(shè)計(jì)等問題，以確保設(shè)計(jì)出的電路穩(wěn)定、可靠、高效。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎一起交流探討。