DRV8304——38-V 3-相智能柵極驅(qū)動(dòng)器的全解析

在電子工程師的日常工作中，一款性能優(yōu)良的柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)詳細(xì)了解一下德州儀器（TI）推出的 DRV8304——一款 6-V 至 38-V 的 3 相智能柵極驅(qū)動(dòng)器，它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著諸多出色的特性和廣泛的應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

DRV8304 是專(zhuān)為 12-V 和 24-V DC 軌的 3 相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的集成式柵極驅(qū)動(dòng)器。它集成了三個(gè)電流檢測(cè)放大器（CSA），用于感測(cè) BLDC 電機(jī)的相電流，可實(shí)現(xiàn)最佳的磁場(chǎng)定向控制（FOC）和電流控制系統(tǒng)。該器件還基于智能柵極驅(qū)動(dòng)（SGD）架構(gòu)，無(wú)需任何外部柵極組件（電阻器和齊納二極管），同時(shí)能充分保護(hù)外部 FET。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

2.1 寬電壓范圍與集成功能

• 電壓范圍：支持 6-V 至 38-V 的電源電壓，絕對(duì)最大額定值達(dá) 40-V，完全適配 12-V 和 24-V DC 軌。
• 集成功能：集成了三個(gè)獨(dú)立的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器、電荷泵和線(xiàn)性穩(wěn)壓器，為高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器提供電源電壓，有效降低了系統(tǒng)組件數(shù)量、成本和復(fù)雜度。

2.2 智能柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

• 可調(diào)壓擺率控制：能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出柵極驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度，控制功率 MOSFET VDS 開(kāi)關(guān)速度，減少電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）問(wèn)題。
• VGS 握手和最小死區(qū)時(shí)間插入：避免直通情況的發(fā)生，同時(shí)防止外部功率 MOSFET 因 dV/dt 寄生導(dǎo)通。
• 靈活的電流驅(qū)動(dòng)能力：支持高達(dá) 150mA 源極、300-mA 漏極峰值電流，平均輸出電流為 15-mA。

2.3 多種 PWM 控制模式

提供 6x、3x、1x 和獨(dú)立 PWM 模式，滿(mǎn)足不同的換向和控制方法需求，降低了控制器的輸出外設(shè)數(shù)量，提供了靈活的控制方式。

2.4 集成式保護(hù)特性

具備電源欠壓鎖定（UVLO）、電荷泵欠壓鎖定（CPUV）、VDS 過(guò)流監(jiān)測(cè)（OCP）、柵極驅(qū)動(dòng)器短路檢測(cè)（GDF）和過(guò)溫關(guān)斷（OTW 和 OTSD）等多種保護(hù)功能，通過(guò) nFAULT 引腳指示故障事件，SPI 設(shè)備版本還可在寄存器中獲取詳細(xì)信息。

三、詳細(xì)功能剖析

3.1 3 相智能柵極驅(qū)動(dòng)器

3.1.1 PWM 控制模式

• 6x PWM 模式：每個(gè)半橋支持低、高或高阻抗（Hi-Z）三種輸出狀態(tài)，通過(guò) INHx 和 INLx 信號(hào)控制輸出。
• 3x PWM 模式：INHx 引腳控制半橋輸出低或高，INLx 引腳用于將半橋設(shè)置為高阻抗。
• 1x PWM 模式：使用內(nèi)部存儲(chǔ)的 6 步塊換向表，可通過(guò)單個(gè) PWM 信號(hào)控制 3 相 BLDC 電機(jī)，還可配置為同步或異步整流。
• 獨(dú)立 PWM 模式：每個(gè)高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器由相應(yīng)的輸入引腳獨(dú)立控制，可驅(qū)動(dòng)單獨(dú)的高低側(cè)負(fù)載，但需注意避免直通情況。

3.1.2 設(shè)備接口模式

• SPI 接口：支持串行通信總線(xiàn)，允許外部控制器配置設(shè)備設(shè)置并讀取詳細(xì)故障信息。
• 硬件接口：將四個(gè) SPI 引腳轉(zhuǎn)換為四個(gè)可配置電阻輸入，通過(guò)外部電阻配置常用設(shè)備設(shè)置，無(wú)需 SPI 總線(xiàn)。

3.1.3 柵極驅(qū)動(dòng)器電源

• 高側(cè)電源：采用倍壓電荷泵，從 VM 電壓源輸入產(chǎn)生高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電壓，輸出電壓穩(wěn)定在 VVM + 10 V，支持 15 mA 平均輸出電流。
• 低側(cè)電源：使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器，從 VM 電壓源輸入產(chǎn)生低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電壓，輸出固定為 10 V，支持 15 mA 輸出電流。

3.1.4 智能柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

• IDRIVE：MOSFET 壓擺率控制：通過(guò)調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)電流控制 MOSFET VDS 壓擺率，優(yōu)化輻射發(fā)射和開(kāi)關(guān)電壓瞬變。
• TDRIVE：MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)控制：集成柵極驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)死區(qū)時(shí)間插入、寄生 dV/dt 柵極導(dǎo)通預(yù)防和 MOSFET 柵極故障檢測(cè)。
• 柵極驅(qū)動(dòng)鉗位：限制柵極驅(qū)動(dòng)輸出電壓，保護(hù)外部高側(cè) MOSFET 免受柵極過(guò)壓損壞。
• 傳播延遲：由數(shù)字輸入去毛刺延遲、數(shù)字傳播延遲和模擬柵極驅(qū)動(dòng)器延遲組成。
• MOSFET VDS 監(jiān)視器：檢測(cè)外部功率 MOSFET 的過(guò)流或短路情況，閾值可編程。
• VDRAIN 感測(cè)引腳：為高側(cè) MOSFET 漏極提供單獨(dú)的感測(cè)引腳，減少噪聲影響。

3.2 DVDD 線(xiàn)性穩(wěn)壓器

集成 3.3-V、30-mA 線(xiàn)性穩(wěn)壓器，可為外部低功率微控制器或其他低電流支持電路提供電源電壓。

3.3 低側(cè)電流檢測(cè)放大器

集成三個(gè)高性能低側(cè)電流檢測(cè)放大器，支持可編程增益、偏移校準(zhǔn)、單向和雙向操作以及電壓參考引腳（VREF）。

3.4 柵極驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路

提供全面的保護(hù)功能，包括 VM 欠壓、電荷泵欠壓、MOSFET VDS 過(guò)流、柵極驅(qū)動(dòng)器短路和過(guò)溫事件保護(hù)，不同故障有相應(yīng)的處理和恢復(fù)機(jī)制。

四、設(shè)備功能模式

4.1 睡眠模式

當(dāng) ENABLE 引腳為低電平時(shí)，設(shè)備進(jìn)入低功耗睡眠模式，所有柵極驅(qū)動(dòng)器、電荷泵、DVDD 穩(wěn)壓器和 SPI 總線(xiàn)均被禁用。

4.2 操作模式

當(dāng) ENABLE 引腳為高電平且 VM > UVLO 時(shí)，設(shè)備進(jìn)入操作模式，電荷泵、低側(cè)柵極穩(wěn)壓器、DVDD 穩(wěn)壓器和 SPI 總線(xiàn)激活。

4.3 故障復(fù)位

在設(shè)備發(fā)生鎖定故障時(shí)，可通過(guò)設(shè)置 CLR_FLT SPI 位或向 ENABLE 引腳發(fā)送復(fù)位脈沖來(lái)重新進(jìn)入操作狀態(tài)。

五、編程與寄存器

對(duì)于 DRV8304 SPI 設(shè)備，可通過(guò) SPI 總線(xiàn)進(jìn)行設(shè)備配置和診斷信息讀取。SPI 輸入數(shù)據(jù)字為 16 位，包含 5 位命令和 11 位數(shù)據(jù)；輸出數(shù)據(jù)字為 11 位寄存器數(shù)據(jù)。同時(shí)，設(shè)備還提供了多個(gè)狀態(tài)寄存器和控制寄存器，用于報(bào)告故障和配置設(shè)備參數(shù)。

六、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

6.1 典型應(yīng)用

主要用于 3 相無(wú)刷直流電機(jī)控制應(yīng)用，放大器可配置為感測(cè)三個(gè)半橋支路中的雙向電流。

6.2 設(shè)計(jì)步驟

• 外部 MOSFET 支持：根據(jù)電荷泵容量和輸出 PWM 開(kāi)關(guān)頻率計(jì)算 MOSFET 驅(qū)動(dòng)能力。
• IDRIVE 配置：根據(jù)外部 MOSFET 的柵極 - 漏極電荷和目標(biāo)上升、下降時(shí)間選擇柵極驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度。
• VDS 過(guò)流監(jiān)視器配置：根據(jù)最壞情況下的電機(jī)電流和外部 MOSFET 的 RDS(on) 配置 VDS 監(jiān)視器。
• 感測(cè)放大器雙向配置：根據(jù)目標(biāo)電流范圍、VREF 電壓供應(yīng)、感測(cè)電阻功率額定值和工作溫度范圍選擇感測(cè)放大器增益和感測(cè)電阻值。

七、電源和布局建議

7.1 電源建議

該設(shè)備設(shè)計(jì)用于 6 V 至 38 V 的輸入電壓供應(yīng)，需在 VM 引腳附近放置 0.1-μF 陶瓷電容器，并根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的大容量電容器。

7.2 布局指南

• 旁路 VM 引腳至 PGND 引腳，使用低 ESR 陶瓷旁路電容器和大容量電容器。
• 在 CPL 和 CPH 引腳、VCP 和 VM 引腳之間放置低 ESR 陶瓷電容器。
• 旁路 DVDD 引腳至 AGND 引腳，使用 1-μF 低 ESR 陶瓷電容器。
• 連接 VDRAIN 引腳和 VM 引腳，使用專(zhuān)用跡線(xiàn)連接 SNx 引腳和低側(cè)外部 MOSFET 的源極。
• 最小化高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的環(huán)路長(zhǎng)度。

總結(jié)

DRV8304 作為一款功能強(qiáng)大的 3 相智能柵極驅(qū)動(dòng)器，具有寬電壓范圍、智能柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)、多種 PWM 控制模式和豐富的保護(hù)功能，適用于各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置設(shè)備參數(shù)，選擇合適的外部組件，并遵循電源和布局建議，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用 DRV8304 過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。