DRV816x系列半橋智能柵極驅(qū)動(dòng)器：功能、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

作為電子工程師，在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，一款性能出色且功能豐富的柵極驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）的DRV816x系列半橋智能柵極驅(qū)動(dòng)器，包括DRV8161、DRV8162和DRV8162L。

文件下載：drv8161.pdf

一、器件概述

DRV816x系列器件是專為驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)N溝道MOSFET而設(shè)計(jì)的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。它具有集成度高、功能豐富、保護(hù)完善等特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)和其他需要功率開(kāi)關(guān)控制的場(chǎng)合。

（一）關(guān)鍵特性

1. 驅(qū)動(dòng)能力：可驅(qū)動(dòng)半橋配置的兩個(gè)N溝道MOSFET，高側(cè)MOSFET源極/漏極電壓最高可達(dá)102V（絕對(duì)最大值），柵極驅(qū)動(dòng)電源電壓范圍為8V（DRV8162L為5V）至20V，還集成了自舉二極管。
2. 功能安全：具備功能安全質(zhì)量管理，提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
3. PWM支持：支持100%的PWM占空比，集成了涓流充電泵。
4. 柵極驅(qū)動(dòng)電流：提供16級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)峰值電流，源電流范圍為16mA - 1000mA，灌電流范圍為32mA - 2000mA，且源 - 灌電流比有1:1、1:2、1:3可選。
5. 死區(qū)時(shí)間調(diào)整：PWM死區(qū)時(shí)間可在20ns - 900ns之間調(diào)整。
6. 保護(hù)功能：集成了GVDD欠壓保護(hù)（GVDDUV）、自舉欠壓保護(hù)（BST_UV）、MOSFET過(guò)流保護(hù)（VDS）、直通保護(hù)、熱關(guān)斷（OTSD）等多種保護(hù)功能，并通過(guò)nFAULT引腳指示故障狀態(tài)。
7. 邏輯輸入兼容性：支持3.3V和5V邏輯輸入。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

該系列器件適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括工業(yè)及協(xié)作機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人（AGV/AMR）、直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車等電動(dòng)交通工具。

二、器件比較

DRV8161和DRV8162/DRV8162L在一些特性上存在差異，具體如下表所示：

從表中可以看出，DRV8161集成了低側(cè)電流檢測(cè)放大器，可用于電流反饋；而DRV8162和DRV8162L提供了單獨(dú)的GVDD和GVDD_LS引腳，有助于實(shí)現(xiàn)安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷（STO）功能。

三、引腳配置與功能

DRV816x系列器件采用20引腳VSSOP封裝，不同引腳具有不同的功能。以下是一些關(guān)鍵引腳的功能說(shuō)明：

1. DT/MODE：選擇輸入引腳接口邏輯和柵極驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間設(shè)置。通過(guò)在DT和GND之間連接電阻，可調(diào)整死區(qū)時(shí)間在20ns至900ns之間，并選擇PWM模式。
2. INH/IN和INL/EN：柵極驅(qū)動(dòng)器控制輸入，其控制方式取決于DT/MODE引腳的設(shè)置。
3. nDRVOFF：柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷控制引腳。將其拉低可使高側(cè)和低側(cè)外部MOSFET關(guān)斷，將柵極驅(qū)動(dòng)器置于下拉狀態(tài)。
4. nFAULT/nDRVOFF（DRV8161）和nFAULT（DRV8162/DRV8162L）：故障指示引腳。在故障條件下，該引腳被拉低。

四、電氣特性與性能參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

在使用DRV816x器件時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。例如，nFAULT引腳的電壓范圍為 - 0.3V至20V，INH(IN)、INL(EN)、nDRVOFF、VDSLVL引腳的電壓范圍也為 - 0.3V至20V等。

（二）推薦工作條件

為了確保器件的正常工作和性能穩(wěn)定，應(yīng)在推薦工作條件下使用。例如，GVDD電源電壓范圍為8V至20V（DRV8162L為5V至20V），VDRAIN高側(cè)漏極引腳電壓范圍為0V至90V等。

（三）電氣性能參數(shù)

器件的電氣性能參數(shù)包括各種電流、電壓、時(shí)間等參數(shù)。例如，柵極驅(qū)動(dòng)的上升和下降傳播延遲時(shí)間在25ns至80ns之間，電流檢測(cè)放大器的增益可在5V/V、10V/V、20V/V、40V/V之間調(diào)整等。

五、功能詳細(xì)描述

（一）柵極驅(qū)動(dòng)器

DRV816x系列器件集成了高側(cè)和低側(cè)FET柵極驅(qū)動(dòng)器，采用自舉柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，在PWM開(kāi)關(guān)期間生成高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器電壓。GVDD引腳為高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器供電，并設(shè)置FET的VGS電壓。

1. PWM控制模式

該系列器件提供三種不同的PWM控制模式：2 - 引腳PWM、1 - 引腳PWM和獨(dú)立PWM模式。這些模式通過(guò)DT/MODE引腳進(jìn)行配置。

• 2 - 引腳PWM模式：半橋驅(qū)動(dòng)器支持低、高或高阻抗（Hi - Z）三種輸出狀態(tài)，由INH和INL信號(hào)控制。
• 1 - 引腳PWM模式：IN引腳控制半橋，支持低或高兩種輸出狀態(tài)，EN引腳可將半橋置于Hi - Z狀態(tài)。
• 獨(dú)立PWM模式：INH和INL引腳分別控制GH和GL輸出，可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)負(fù)載，適用于驅(qū)動(dòng)螺線管、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等。

2. 柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

柵極驅(qū)動(dòng)器采用互補(bǔ)推挽拓?fù)洌蛡?cè)柵極驅(qū)動(dòng)器直接由GVDD調(diào)節(jié)器電源供電，高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器通過(guò)集成的自舉二極管和外部自舉電容生成浮動(dòng)高側(cè)柵極電壓。

3. 涓流充電泵（TCP）

內(nèi)部涓流充電泵連接到BST節(jié)點(diǎn)，可減少驅(qū)動(dòng)器和外部組件泄漏電流引起的電壓降。在獨(dú)立PWM模式下，充電泵始終處于激活狀態(tài)；在2 - 引腳PWM和1 - 引腳PWM模式下，若INL保持低電平250us（典型值），充電泵將被激活。

4. 死區(qū)時(shí)間和直通保護(hù)

DRV816x提供死區(qū)時(shí)間插入功能，可防止半橋的兩個(gè)外部MOSFET同時(shí)導(dǎo)通。死區(qū)時(shí)間可通過(guò)在DT/MODE和地之間連接電阻進(jìn)行調(diào)整。在2 - 引腳PWM模式下，還具備直通保護(hù)功能，當(dāng)高側(cè)和低側(cè)輸入同時(shí)為高電平時(shí)，會(huì)關(guān)閉高側(cè)和低側(cè)輸出，防止直通現(xiàn)象發(fā)生。

（二）低側(cè)電流檢測(cè)放大器（DRV8161）

DRV8161集成了高性能低側(cè)電流檢測(cè)放大器，用于使用低側(cè)分流電阻進(jìn)行電流測(cè)量。該放大器具有可配置的增益，可通過(guò)CSAGAIN引腳設(shè)置為5V/V、10V/V、20V/V或40V/V。

（三）柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷序列

當(dāng)nDRVOFF引腳被拉低時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，覆蓋INH/IN和INL/EN輸入引腳的信號(hào)。在關(guān)斷過(guò)程中，柵極驅(qū)動(dòng)器會(huì)以IDRVN_SD電流進(jìn)行主動(dòng)下拉，持續(xù)時(shí)間為tDRVN_SD。

（四）保護(hù)電路

DRV816x系列器件具備多種保護(hù)電路，可確保器件在異常情況下的安全運(yùn)行。

1. GVDD欠壓鎖定（GVDD_UV）：當(dāng)GVDD引腳電壓低于VGVDD_UV閾值電壓超過(guò)tGVDD_UV_DG消抖時(shí)間時(shí)，器件檢測(cè)到GVDD欠壓事件，所有柵極驅(qū)動(dòng)器輸出被拉低，充電泵禁用，nFAULT引腳被拉低。
2. MOSFET VDS過(guò)流保護(hù)（VDS_OCP）：通過(guò)監(jiān)測(cè)外部MOSFET的VDS電壓降，檢測(cè)過(guò)流或短路情況。當(dāng)VDS電壓超過(guò)VVDSLVL閾值超過(guò)tDS_DG消抖時(shí)間時(shí)，器件檢測(cè)到VDS過(guò)流事件，所有柵極驅(qū)動(dòng)器輸出被拉低，nFAULT引腳被拉低。
3. 熱關(guān)斷（OTSD）：當(dāng)芯片結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值時(shí)，器件檢測(cè)到OTSD事件，所有柵極驅(qū)動(dòng)器輸出被拉低，nFAULT引腳被拉低。
4. 自舉欠壓保護(hù)：當(dāng)BST - SH引腳電壓低于V BST_UV閾值時(shí)，高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入半主動(dòng)下拉狀態(tài)。

六、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）典型應(yīng)用電路

1. DRV8161典型應(yīng)用

DRV8161的典型應(yīng)用電路包括與MCU或數(shù)字控制器的連接，通過(guò)PWM信號(hào)控制柵極驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)利用電流檢測(cè)放大器進(jìn)行電流反饋。

2. DRV8162和DRV8162L典型應(yīng)用

DRV8162和DRV8162L的典型應(yīng)用電路與DRV8161類似，但具有單獨(dú)的GVDD和GVDD_LS引腳，可用于實(shí)現(xiàn)STO功能。

（二）外部組件選擇

在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要選擇合適的外部組件，如自舉電容、GVDD電容、VDRAIN電容、硬件接口電阻等。以下是一些推薦的組件值：

1. 自舉電容（CBST）：推薦值為1.0μF，其額定電壓應(yīng)根據(jù)外部MOSFET的總柵極電荷和V BST - V SH電壓確定。
2. GVDD電容（CGVDD）：推薦值為10μF，用于穩(wěn)定GVDD電源電壓。
3. VDRAIN電容（CVDRAIN）：推薦值為0.1μF，用于為充電泵提供穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)電流。

（三）布局指南

為了確保器件的性能和可靠性，在PCB布局時(shí)需要遵循以下指南：

1. 盡量減小GH、SH、GL和SL走線的長(zhǎng)度和阻抗，減少過(guò)孔數(shù)量，以降低寄生電感。
2. 將自舉電容CBST靠近相應(yīng)引腳放置，將GVDD電容靠近GVDD引腳放置，將VDRAIN電容靠近VDRAIN引腳放置。
3. 為外部MOSFET的高電流路徑添加額外的大容量電容，以旁路高電流，并盡量減小高電流路徑的長(zhǎng)度。
4. 將SL引腳連接到MOSFET源極，而不是直接連接到GND，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的VDS檢測(cè)。
5. 對(duì)于DRV8161，將SN/SP引腳從檢測(cè)電阻并行布線到器件，并將濾波組件靠近器件引腳放置，以減少濾波后噪聲耦合。

（四）電源供應(yīng)建議

DRV816x系列器件的輸入電壓范圍為5V至90V，需要在VDRAIN引腳附近放置一個(gè)0.1μF的陶瓷電容。此外，還需要根據(jù)應(yīng)用需求添加適當(dāng)?shù)拇笕萘侩娙?，以確保電源的穩(wěn)定性。

七、總結(jié)

DRV816x系列半橋智能柵極驅(qū)動(dòng)器是一款功能強(qiáng)大、性能出色的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。它具有豐富的保護(hù)功能、靈活的PWM控制模式和可配置的參數(shù)，適用于各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功率開(kāi)關(guān)控制應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的器件型號(hào)，并注意引腳配置、電氣特性、布局和電源供應(yīng)等方面的要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

作為電子工程師，你在使用類似柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)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。