深入剖析DRV10974：低噪聲三相無傳感器電機驅(qū)動的得力之選

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，電機驅(qū)動是一個常見且關(guān)鍵的領(lǐng)域。今天，我們就來深入探討一款性能出色的三相無傳感器電機驅(qū)動器——德州儀器（TI）的DRV10974。

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一、產(chǎn)品概述

DRV10974是一款集成了功率MOSFET的三相無傳感器電機驅(qū)動器，能夠提供高達1A連續(xù)（rms）的驅(qū)動電流。它專為低噪聲、外部元件數(shù)量少的12V電機驅(qū)動應(yīng)用而設(shè)計，適用于各種需要低噪聲運行的場景，如家電風(fēng)扇、泵和鼓風(fēng)機等。

該驅(qū)動器采用180°無傳感器控制方案，為電機相位提供正弦輸出電壓，只需通過外部電阻設(shè)置峰值電流、超前角和加速曲線，無需額外配置，大大簡化了設(shè)計過程。

二、產(chǎn)品特性

（一）引腳配置與功能

DRV10974有兩種封裝形式：PWP PowerPAD? Package 16 - Pin HTSSOP和RUM Package 16 - Pin WQFN。其引腳功能豐富且實用，以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：

• ADV引腳：通過1/8 - W電阻選擇應(yīng)用的超前角，引腳懸空時為最長超前角，超前角在電源上電時由ADV引腳電壓決定。
• CS引腳：通過1/8 - W電阻選擇電流限制，引腳懸空時為最高電流限制，電流限制在電源上電時由CS引腳電壓決定。
• FG引腳：提供電機速度反饋，為開漏輸出，內(nèi)部上拉至V3P3，若上拉電壓高于V3P3，需外接上拉電阻限制電流。
• FR引腳：用于控制電機的旋轉(zhuǎn)方向，F(xiàn)R = 0時，電機按U→V→W方向旋轉(zhuǎn)；FR = 1時，電機按U→W→V方向旋轉(zhuǎn)，其值在退出低功耗模式時由FR引腳狀態(tài)決定，內(nèi)部有下拉電阻。
• PWM引腳：作為電機速度控制輸入，可自動檢測模擬或數(shù)字模式，內(nèi)部上拉至2.2V。

（二）電氣特性

1. 電源電流：在TA = 25°C、VCC = 12V且無電機負載的情況下，ICC為5 - 7mA；在低功耗模式下，ICC(LP)為380μA。
2. 欠壓鎖定（UVLO）：VCC的UVLO下降閾值V(UVLO_F)為4.2 - 4.4V，上升閾值V(UVLO_R)為4.5 - 4.85V，滯回電壓Vhys(UVLO)為400mV。
3. 電荷泵UVLO：VVCP(UVLO_F)為3.35 - 4.05V，VVCP(UVLO_R)為3.65 - 4.37V，滯回電壓Vhys(VCP)為330mV。
4. V1P8 UVLO：V(V1P8_F)為1.25 - 1.55V，V(V1P8_R)為1.35 - 1.65V，滯回電壓Vhys(V1P8)為100mV。
5. 電壓調(diào)節(jié)器：V1P8電壓VV1P8在TA = 25°C、C(V1P8) = 1μF時為1.7 - 1.9V，最大外部負載電流IV1P8為3mA。
6. 集成MOSFET：高端FET導(dǎo)通電阻rds(on)_HS和低端FET導(dǎo)通電阻rds(on)_LS在TA = 25°C、VCC = 12V、IO = 100mA時均為0.375 - 0.425Ω。

（三）典型特性

從典型特性曲線中，我們可以直觀地看到一些關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢。例如，電源電流與電源電壓的關(guān)系曲線顯示，隨著電源電壓的升高，電源電流也會相應(yīng)增加；而rDS(on)與溫度的關(guān)系曲線則表明，當VCC = 12V時，隨著溫度的升高，rDS(on)會逐漸增大。這些特性對于我們在實際設(shè)計中合理選擇電源和評估器件的性能非常有幫助。

三、功能詳細描述

（一）速度輸入與控制

DRV10974的PWM輸入用于控制電機的速度，PWM輸入的占空比決定了施加到電機上的電壓大小，從而間接控制電機的速度。PWM引腳可以接受數(shù)字占空比或模擬電壓輸入。 當PWM引腳輸入數(shù)字信號時，占空比通過低通濾波器在120ms內(nèi)從0%線性增加到100%，控制分辨率約為0.2%。當PWM占空比大于15%時，輸出峰值幅度由公式(V{ph{pk}} = PWM{dc} × V{CC})決定；當PWM占空比低于15%但高于1.5%時，輸出由最小操作占空比控制。如果電源電壓VVCC > 14V，最大PWMdc限制為14V / VVCC。 當PWM引腳輸入模擬電壓時，輸出峰值幅度取決于電源電壓、PWM引腳的模擬電壓VANA和V1P8的電壓VV1P8，計算公式為(V{ph{pk}}=frac{V{ANA}}{V{1P8}}×V_{CC})。

（二）電機方向改變

通過設(shè)置FR引腳的邏輯狀態(tài)，可以輕松控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。FR = 0時，電機按U→V→W方向旋轉(zhuǎn)；FR = 1時，電機按U→W→V方向旋轉(zhuǎn)。

（三）電機頻率反饋（FG）

FG引腳在電機運行過程中提供電機速度反饋。在一個電周期內(nèi)，F(xiàn)G引腳會翻轉(zhuǎn)一次，通過公式(RPM=frac{f_{(FG)} × 60}{pole_pairs})可以計算出電機的機械速度。在開環(huán)加速過程中，F(xiàn)G引腳指示驅(qū)動電機的信號頻率；在電機減速過程中，F(xiàn)G引腳繼續(xù)提供速度反饋，直到電機速度低于10Hz，此時器件進入低功耗模式，F(xiàn)G輸出保持高電平。

（四）鎖定檢測

DRV10974具備全面的鎖定檢測功能，包括六種不同的鎖定檢測方案，能夠有效檢測電機因外部條件導(dǎo)致的鎖定情況，并采取保護措施。當檢測到鎖定時，器件會停止電機驅(qū)動，經(jīng)過一段時間后嘗試重新啟動電機。

1. Lock Kt Measure：在從開環(huán)加速過渡到閉環(huán)加速時，測量電機的實際Kt值，如果未達到200mV，則觸發(fā)鎖定。
2. Lock No Motor：在對齊狀態(tài)結(jié)束時檢查相U電流，如果小于50mA，則認為電機未連接，觸發(fā)鎖定。
3. Lock Open Loop Abnormal：在開環(huán)加速過程中，如果電換相速率超過200Hz但未達到切換閾值，則觸發(fā)鎖定。
4. Lock BEMF Abnormal：監(jiān)測電機半電周期內(nèi)的反電動勢（BEMF）積分值，根據(jù)初始測量確定可接受的Kt值范圍，在閉環(huán)運行時持續(xù)更新Ktc值，若Ktc值超出范圍，則觸發(fā)鎖定。
5. Lock Closed Loop Abnormal：在閉環(huán)模式下，如果閉環(huán)換相周期小于前一個換相周期的一半，則觸發(fā)鎖定。
6. Lock Speed Abnormal：如果計算得到的電機BEMF值在一個電周期內(nèi)比施加在相U上的電壓高1.5倍，則觸發(fā)鎖定。

（五）軟電流限制

軟電流限制功能通過測量電機電阻Rm和電機速度常數(shù)Kt，限制施加到相U上的電壓，從而防止電流超過限制值I(LIMIT)。該功能僅在正常閉環(huán)模式下有效，不會導(dǎo)致故障或停止電機運行，通常用于限制電機加速過程中因重載導(dǎo)致的電流過大。I(LIMIT)電流通過外部電阻R(CS)配置。

（六）短路電流保護

當任何電機相的電流超過短路保護限制I(OC_LIMIT)時，短路電流保護功能會將電機相置于高阻抗狀態(tài)，停止對電機的驅(qū)動。經(jīng)過初始化序列后，器件會嘗試重新啟動電機，以保護器件和電機免受短路故障的影響。

（七）過溫保護

DRV10974具有熱關(guān)斷功能，當器件結(jié)溫超過TSD溫度時，會禁用電機操作；當結(jié)溫低于TSD - TSD(hys)時，電機操作恢復(fù)。

（八）欠壓保護

欠壓鎖定功能可防止在電源電壓VCC過低時電機運行。上電時，當VCC高于V(UVLO_F) + Vhys(UVLO)時，器件開始工作；當VCC低于V(UVLO_F)時，器件停止工作。

四、設(shè)備功能模式

（一）啟動設(shè)置

1. 電機啟動：電機啟動過程包括初始速度檢測、對齊、測量電機電阻、開環(huán)加速、滑行/測量Kt和閉環(huán)加速/運行等步驟。在啟動前，需要確保電機處于靜止狀態(tài)，通過PWM信號觸發(fā)啟動。
2. 初始速度檢測：每次退出低功耗模式時，器件會通過檢測FG引腳的頻率來判斷電機是否旋轉(zhuǎn)。如果頻率小于10Hz，則認為電機靜止；如果頻率大于10Hz，則將電機減速至10Hz以下或經(jīng)過5秒超時。
3. 對齊：為了使轉(zhuǎn)子與換相邏輯對齊，器件向相U施加與閉環(huán)運行電流相等的電流，同時驅(qū)動相V和相W，持續(xù)時間最長為0.67s。為避免電流突變產(chǎn)生不良聲學(xué)效果，施加到電機上的電壓會逐漸變化，使電流變化率為12A/s。

（二）開環(huán)加速

電機確認靜止并完成初始化后，器件開始開環(huán)加速。通過在過渡到閉環(huán)操作之前使用外部電阻設(shè)置加速曲線，可以配置電機的啟動特性。開環(huán)加速的目的是將電機驅(qū)動到最小速度，使電機產(chǎn)生足夠的BEMF，以便換相控制邏輯能夠準確驅(qū)動電機。

（三）啟動電流檢測

啟動峰值電流由電流檢測限制電阻R(CS)控制。根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的R(CS)電阻，以確保電機能夠可靠加速到切換閾值。較重的負載可能需要更高的電流設(shè)置，但加速速率受RMP引腳連接的電阻限制。

（四）閉環(huán)控制

當電機加速到目標BEMF閾值時，換相控制從開環(huán)模式切換到閉環(huán)模式。在切換過程中，電機允許滑行一個電周期以測量Kt。閉環(huán)加速和減速值由內(nèi)部控制算法和PWM輸入的占空比決定。

（五）控制超前角

為了實現(xiàn)最佳效率，需要控制電機的驅(qū)動狀態(tài)，使電流與電機的BEMF電壓對齊。DRV10974通過ADV引腳連接的電阻提供多種固定超前時間選項，用戶可以根據(jù)實際需求進行選擇。

五、應(yīng)用與實現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

DRV10974適用于無傳感器三相無刷直流（BLDC）電機控制，為家電風(fēng)扇、泵和鼓風(fēng)機等應(yīng)用提供高性能、高可靠性、靈活且簡單的解決方案。

（二）典型應(yīng)用

典型應(yīng)用電路中，需要根據(jù)推薦選擇合適的外部組件，如在VCC和GND之間連接10 - μF、25 - V的陶瓷電容，在VCP和VCC之間連接100 - nF、10 - V的陶瓷電容，在V1P8和GND之間連接1 - μF ±30%、6.3 - V的陶瓷電容等。同時，通過外部電阻連接到RMP、CS和ADV引腳來設(shè)置加速曲線、電流限制和超前角。

（三）設(shè)計要求與詳細設(shè)計步驟

在設(shè)計過程中，需要考慮電機的一些關(guān)鍵參數(shù)，如電機電壓、BEMF常數(shù)、電機相電阻等。根據(jù)這些參數(shù)和應(yīng)用需求，選擇合適的外部電阻來配置DRV10974的各項功能。通常，CS引腳的電阻根據(jù)應(yīng)用規(guī)格確定，而RMP和ADV引腳的電阻需要通過實驗進行調(diào)整。一般先將RMP引腳設(shè)置為最慢的加速曲線，同時調(diào)整ADV引腳的電阻，使電機運行效率最佳，然后再根據(jù)需要調(diào)整RMP引腳的電阻，以實現(xiàn)更快的加速而不影響啟動可靠性。

六、電源供應(yīng)建議

DRV10974的輸入電源電壓范圍為4.4V至18V。為了確保器件的穩(wěn)定運行，需要在VCC和GND引腳之間盡可能靠近器件的位置連接一個至少10 - μF的電容。如果電源紋波超過200mV，則需要根據(jù)應(yīng)用需求增加一個大容量電容。

七、布局建議

合理的布局對于DRV10974的性能至關(guān)重要。在布局時，應(yīng)遵循以下原則：

1. 使用較粗的走線連接VCC、GND、U、V和W引腳，以降低電阻和電感，減少信號干擾。
2. 將10 - μF的電容盡可能靠近VCC和GND引腳放置，將100 - nF的電容盡可能靠近VCP和VCC引腳放置，以提供良好的去耦效果。
3. 將GND和PGND連接在散熱焊盤下方，確保散熱良好。
4. 保持散熱焊盤的連接面積盡可能大，應(yīng)為一塊完整的銅箔，避免出現(xiàn)間隙。

八、總結(jié)

DRV10974是一款功能強大、設(shè)計靈活的三相無傳感器電機驅(qū)動器，具有低噪聲、外部元件數(shù)量少等優(yōu)點。通過合理配置外部電阻和遵循布局原則，我們可以充分發(fā)揮其性能，為各種電機驅(qū)動應(yīng)用提供可靠的解決方案。在實際設(shè)計過程中，我們還需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進行詳細的測試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文對大家了解和使用DRV10974有所幫助，如果你在使用過程中遇到任何問題，歡迎在評論區(qū)留言討論。