深入剖析 DRV593 和 DRV594：高效 PWM 功率驅(qū)動(dòng)芯片的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的功率驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)于項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）推出的 DRV593 和 DRV594 這兩款 ±3 - A 高效 PWM 功率驅(qū)動(dòng)芯片。

文件下載：drv593.pdf

一、芯片概述

DRV593 和 DRV594 是專(zhuān)為 2.8 V 至 5.5 V 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高效、大電流功率放大器，非常適合驅(qū)動(dòng)各種熱電冷卻器（TEC）元件和激光二極管偏置。與傳統(tǒng)的線(xiàn)性解決方案相比，它們?cè)谛阅芎托噬嫌辛孙@著提升。

二、芯片特性

2.1 高效節(jié)能與成本優(yōu)化

與 DRV593 相比，這兩款芯片的工作模式可將輸出濾波器的尺寸和成本降低 50%。僅需一個(gè)電感和電容作為輸出濾波器，就能節(jié)省大量的印刷電路板（PCB）面積。

2.2 寬電壓范圍與大電流輸出

支持 2.8 V 至 5.5 V 的低電源電壓，最大輸出電流可達(dá) ±3 A，能滿(mǎn)足多種不同功率需求的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.3 高可靠性保護(hù)機(jī)制

具備過(guò)流和熱保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)熱或欠壓情況時(shí)，故障指示器會(huì)發(fā)出信號(hào)，確保芯片和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 靈活的頻率選擇與同步

提供兩種可選的開(kāi)關(guān)頻率（500 kHz 或 100 kHz），還支持內(nèi)部或外部時(shí)鐘同步，可根據(jù)系統(tǒng)需求靈活配置。

2.5 優(yōu)化的 PWM 方案

采用優(yōu)化的 PWM 方案，有效降低電磁干擾（EMI），提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.6 散熱性能良好

采用 9×9 mm PowerPAD? 四方扁平封裝，有利于散熱，能有效降低芯片溫度，延長(zhǎng)芯片使用壽命。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 熱電冷卻器（TEC）驅(qū)動(dòng)

在需要精確溫度控制的應(yīng)用中，如激光二極管、紅外探測(cè)器等，DRV593 和 DRV594 能夠?yàn)?TEC 提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)高效的制冷或制熱效果。

3.2 激光二極管偏置

為激光二極管提供穩(wěn)定的偏置電流，確保激光的輸出穩(wěn)定性和一致性，提高激光系統(tǒng)的性能。

四、關(guān)鍵參數(shù)解析

4.1 絕對(duì)最大額定值

了解芯片的絕對(duì)最大額定值非常重要，它能幫助我們避免因超出芯片承受范圍而造成損壞。DRV593 和 DRV594 的供電電壓范圍為 - 0.3 V 至 5.5 V，輸入電壓范圍為 - 0.3 V 至 VDD + 0.3 V，工作溫度范圍為 - 40°C 至 85°C 等。

4.2 推薦工作條件

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)確保芯片在推薦的工作條件下運(yùn)行，以保證其性能和可靠性。例如，供電電壓應(yīng)在 2.8 V 至 5.5 V 之間，高電平輸入電壓應(yīng)不低于 2 V 等。

4.3 電氣特性

• 輸出失調(diào)電壓：測(cè)量值在 14 mV 至 100 mV 之間，反映了芯片輸出的準(zhǔn)確性。
• 增益：DRV593 的增益固定為 2.3 V/V，DRV594 的增益固定為 14.5 V/V，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇合適的芯片。
• 輸出電流：最大連續(xù)輸出電流可達(dá) 3 A，滿(mǎn)足大部分高功率應(yīng)用的需求。

五、工作模式詳解

5.1 脈寬調(diào)制（PWM）方案

DRV593 和 DRV594 的 PWM 方案僅需一個(gè)電感和電容作為輸出濾波器，通過(guò) H/C 輸出確定電流方向，PWM 輸出產(chǎn)生與輸入控制電壓成比例的負(fù)載電壓，有效降低了濾波器的復(fù)雜度和成本。

5.2 制冷模式

在制冷模式下，H/C 輸出接地，PWM 輸出在負(fù)載上產(chǎn)生與輸入電壓成比例的電壓。通過(guò)計(jì)算占空比和電源電壓，可以確定負(fù)載上的差分電壓。

5.3 制熱模式

制熱模式下，H/C 輸出為 VDD，PWM 輸出與負(fù)載上的電壓成比例。同樣，通過(guò)特定公式可以計(jì)算出負(fù)載上的差分電壓。

5.4 熱/冷轉(zhuǎn)換

當(dāng)芯片從制冷模式轉(zhuǎn)換到制熱模式時(shí)，PWM 輸出的占空比會(huì)減小，H/C 輸出從 0 V 變?yōu)?VDD，電流方向反轉(zhuǎn)，但負(fù)載上保持低電壓。隨著進(jìn)入制熱模式的程度加深，占空比會(huì)進(jìn)一步減小以驅(qū)動(dòng)更多電流通過(guò)負(fù)載。

5.5 過(guò)零區(qū)域

當(dāng)差分輸出電壓接近零時(shí)，芯片的控制邏輯會(huì)使輸出在制熱和制冷模式之間切換。為避免因隨機(jī)噪聲導(dǎo)致的輸出狀態(tài)頻繁變化和開(kāi)關(guān)噪聲增加，建議在控制回路中引入遲滯。不過(guò)，芯片的正常工作點(diǎn)通常不在此區(qū)域。

六、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

6.1 輸出濾波器設(shè)計(jì)

TEC 元件對(duì)電流的紋波有一定要求，通常建議最大紋波電流小于 10%。為減少紋波電流和電磁干擾（EMI），可使用 LC 網(wǎng)絡(luò)對(duì)流向 TEC 的電流進(jìn)行濾波。在設(shè)計(jì) LC 濾波器時(shí)，可從頻域和時(shí)域兩個(gè)角度進(jìn)行考慮。

• 頻域設(shè)計(jì)：根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù)，選擇合適的電感和電容值，使濾波器的諧振頻率至少比開(kāi)關(guān)頻率低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
• 時(shí)域設(shè)計(jì)：通過(guò)計(jì)算電感的紋波電流和電容的紋波電壓，確定實(shí)際通過(guò) TEC 元件的紋波電流。

6.2 開(kāi)關(guān)頻率配置

芯片的開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)選擇合適的外部電阻 (R{osc}) 和電容 (C{osc}) 以及設(shè)置 FREQ 引腳的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于 500 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，推薦使用 (R{osc}) = 120 kΩ 和 (C{osc}) = 220 pF；對(duì)于 100 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，推薦使用 (R{osc}) = 120 kΩ 和 (C{osc}) = 1 nF。同時(shí)，電阻 (R{osc}) 的公差應(yīng)為 1%，電容 (C{osc}) 應(yīng)選用陶瓷電容，公差為 10%。

6.3 外部時(shí)鐘同步

若需要將開(kāi)關(guān)與外部時(shí)鐘信號(hào)同步，可將 INT/EXT 引腳拉低，并將時(shí)鐘信號(hào)輸入到 COSC 引腳。外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比應(yīng)為 10% 至 90%，并滿(mǎn)足電氣規(guī)格表中的電壓要求。由于芯片內(nèi)部包含頻率倍增器，外部時(shí)鐘信號(hào)的頻率應(yīng)約為 250 kHz。

6.4 輸入配置

• 差分輸入：使用差分輸入時(shí)，輸入信號(hào)應(yīng)偏置在芯片電源電壓的中間值附近，且不得超過(guò)輸入級(jí)的共模輸入范圍。
• 單端輸入：最常見(jiàn)的配置方式是采用單端輸入，將未使用的輸入引腳連接到 (V_{DD} / 2)，可通過(guò)電阻分壓器實(shí)現(xiàn)。為確保最佳性能，所選電阻值應(yīng)至少比芯片輸入電阻低 100 倍，并在輸入引腳與地之間連接一個(gè)小陶瓷電容以濾波和穩(wěn)定電壓。

6.5 電源去耦

為減少高頻瞬態(tài)或尖峰的影響，應(yīng)在每個(gè) PVDD 引腳附近盡可能靠近芯片處放置一個(gè) 0.1 mF 至 1 mF 的小陶瓷電容。同時(shí)，在靠近芯片的位置放置一個(gè) 10 mF 至 100 mF 的鉭或鋁電解電容進(jìn)行大容量去耦。

6.6 AREF 電容

AREF 引腳是芯片內(nèi)部中軌電壓調(diào)節(jié)器的輸出，用于板載振蕩器和斜坡發(fā)生器。為保證穩(wěn)定性，必須在 AREF 引腳與 AGND 之間連接一個(gè) 1 mF 的陶瓷電容。

6.7 關(guān)機(jī)操作

芯片具有關(guān)機(jī)模式，可通過(guò) SHUTDOWN 引腳控制。當(dāng) SHUTDOWN 引腳為高電平時(shí)，芯片正常工作；當(dāng)為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，輸出禁用，電源電流降低。該引腳不得浮空，若不使用關(guān)機(jī)功能，可將其連接到 VDD。

6.8 故障報(bào)告

芯片內(nèi)置了過(guò)流、欠壓和過(guò)熱三種故障檢測(cè)電路，通過(guò) FAULT1 和 FAULT0 引腳進(jìn)行故障指示。這兩個(gè)引腳為開(kāi)漏輸出，需要外部連接一個(gè) 5 kΩ 或更大的上拉電阻。不同的故障狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的引腳電平組合，工程師可根據(jù)這些指示及時(shí)采取相應(yīng)措施。

6.9 功率耗散與最大環(huán)境溫度

芯片在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，可根據(jù)公式 (P{DISS }=left(I{OUT }right)^{2} × r{DS (on), total }) 計(jì)算功率耗散。同時(shí)，可通過(guò)公式 (A=T{J}-left(theta{J A} × P{DISS }right)) 計(jì)算最大環(huán)境溫度，確保芯片在合適的溫度環(huán)境下工作。

6.10 PCB 布局考慮

作為高電流開(kāi)關(guān)器件，DRV593 和 DRV594 的 PCB 布局至關(guān)重要。以下是一些布局建議：

• 接地：模擬地（AGND）和功率地（PGND）應(yīng)分開(kāi)，最好在電源與 PCB 物理連接的地方分開(kāi)，最小限度也要在大容量去耦電容處分開(kāi)。PowerPAD 接地應(yīng)連接到 AGND，而不是 PGND。不建議使用接地平面，應(yīng)使用走線(xiàn)來(lái)連接電流，PGND 使用寬走線(xiàn)（100 mils），AGND 使用窄走線(xiàn)（15 mils）。
• 電源去耦：在每個(gè) PVDD 引腳附近放置一個(gè) 0.1 mF 至 1 mF 的陶瓷電容，連接 PVDD 與 PGND；在 AVDD 引腳附近放置一個(gè) 0.1 mF 至 1 mF 的陶瓷電容，連接 AVDD 與 AGND；在靠近芯片的位置放置一個(gè)至少 10 mF 的大容量去耦電容，連接 PVDD 與 PGND。若電源線(xiàn)較長(zhǎng)，可能需要額外的去耦措施。
• 功率和輸出走線(xiàn)：功率和輸出走線(xiàn)的尺寸應(yīng)能承受所需的最大輸出電流，輸出走線(xiàn)應(yīng)盡量短，以減少 EMI，輸出濾波器應(yīng)盡可能靠近芯片輸出端。
• PowerPAD：芯片采用 TI 的 PowerPAD 技術(shù)提高散熱性能，PowerPAD 接地應(yīng)與 PGND 分開(kāi)，AGND 引腳下方的焊盤(pán)可與 PowerPAD 接地連接以方便布線(xiàn)。
• 散熱性能：為保證良好的散熱性能，PowerPAD 必須焊接到散熱焊盤(pán)上。在高電流（大于 2 A）或高環(huán)境溫度（大于 25°C）的情況下，可使用內(nèi)部平面進(jìn)行散熱。PowerPAD 下方的過(guò)孔應(yīng)確保良好連接，且平面除通過(guò) PowerPAD 連接外不得與地相連。

七、總結(jié)

DRV593 和 DRV594 以其高效節(jié)能、高可靠性、靈活的配置選項(xiàng)和良好的散熱性能，成為熱電冷卻器驅(qū)動(dòng)和激光二極管偏置等應(yīng)用的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分考慮芯片的各項(xiàng)特性和參數(shù)，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和 PCB 布局，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助各位工程師更好地理解和應(yīng)用這兩款芯片。

你在使用 DRV593 和 DRV594 芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。