DRV2911-Q1：用于超聲波鏡頭清潔的全橋PWM輸入壓電驅(qū)動(dòng)器

引言

在汽車(chē)電子和成像技術(shù)不斷發(fā)展的今天，超聲波鏡頭清潔系統(tǒng)變得越來(lái)越重要。德州儀器（TI）的DRV2911-Q1全橋PWM輸入壓電驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)為超聲波鏡頭清潔應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有諸多出色的特性和功能。本文將深入介紹DRV2911-Q1的特點(diǎn)、應(yīng)用、詳細(xì)規(guī)格以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)谙嚓P(guān)設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、產(chǎn)品特性

1. 汽車(chē)級(jí)認(rèn)證與封裝

DRV2911-Q1通過(guò)了AEC-Q100汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證，溫度等級(jí)為1（-40°C ≤ TA ≤ 125°C），采用可焊?jìng)?cè)翼封裝，確保了在汽車(chē)環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。

2. 雙通道半橋驅(qū)動(dòng)

具備雙通道半橋驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)半橋都有PWM輸入控制，支持高達(dá)200kHz的PWM頻率，還配備了過(guò)流保護(hù)功能，能有效保護(hù)電路。

3. 寬工作電壓與高輸出電流

工作電壓范圍為5V至35V（絕對(duì)最大40V），具有8A的峰值輸出電流能力，能夠滿足高功率應(yīng)用的需求。

4. 低導(dǎo)通電阻與低功耗

在TA = 25°C時(shí)，MOSFET的導(dǎo)通電阻（HS + LS）典型值為95mΩ，有效降低了功率損耗。同時(shí)，具有低功耗睡眠模式，在V_PVDD = 13.5V、TA = 25°C時(shí)，最大電流僅為2.5μA。

5. 多邏輯輸入支持與內(nèi)置LDO

支持1.8V、3.3V和5V邏輯輸入，內(nèi)置3.3V、30mA的LDO穩(wěn)壓器，可用于為外部電路供電。

6. 集成保護(hù)功能

集成了多種保護(hù)特性，如電源欠壓鎖定（UVLO）、電荷泵欠壓（CPUV）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、熱警告和關(guān)斷（OTW/OTSD）等，通過(guò)FAULTZ引腳指示故障狀態(tài)。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

DRV2911-Q1適用于多種汽車(chē)相關(guān)的成像應(yīng)用，包括汽車(chē)熱成像相機(jī)、無(wú)處理的相機(jī)模塊、后視鏡替代/相機(jī)后視鏡系統(tǒng)、后置攝像頭以及環(huán)視系統(tǒng)ECU等。在這些應(yīng)用中，它能夠?yàn)槌暡ㄧR頭清潔系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)。

三、詳細(xì)描述

1. 功能概述

DRV2911-Q1集成了兩個(gè)H橋，用于驅(qū)動(dòng)基于壓電的鏡頭蓋系統(tǒng)（LCS），最大電壓能力可達(dá)40V，同時(shí)保持極低的導(dǎo)通電阻以減少開(kāi)關(guān)損耗。還集成了電源管理LDO（3.3V / 30mA）和降壓轉(zhuǎn)換器（5V至5.7V，≤200mA），可用于為外部電路如超聲波鏡頭清潔（ULC）控制器ULC1001供電。

2. 功能框圖

其功能框圖展示了各個(gè)部分的連接和協(xié)作關(guān)系，包括電源輸入、電荷泵、調(diào)節(jié)器、輸出級(jí)、保護(hù)電路等。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和布局，確保了設(shè)備的高效運(yùn)行和穩(wěn)定性。

3. 特性描述

輸出級(jí)

由集成的NMOS FET組成，采用兩個(gè)半橋配置，通過(guò)倍壓電荷泵為高端NMOS FET提供合適的柵極偏置電壓，支持100%占空比。內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器為低端MOSFET提供柵極偏置電壓。

硬件接口

包含三個(gè)可配置引腳SLEW、OCP和VSEL_BK，分別用于控制驅(qū)動(dòng)器輸出擺率、過(guò)流保護(hù)水平和降壓電壓。此外，F(xiàn)AULTZ開(kāi)漏引腳用于報(bào)告驅(qū)動(dòng)器故障。

AVDD線性電壓調(diào)節(jié)器

提供3.3V的線性穩(wěn)壓輸出，可用于為內(nèi)部數(shù)字電路和外部低功耗MCU等電路供電。輸出應(yīng)通過(guò)合適的電容進(jìn)行旁路，以確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

降壓混合模式降壓調(diào)節(jié)器

集成了混合模式降壓調(diào)節(jié)器，可提供5.0V或5.7V的調(diào)節(jié)電源，用于為外部控制器或系統(tǒng)電壓軌供電。具有低靜態(tài)電流，在輕載時(shí)可延長(zhǎng)電池壽命。支持電感模式和電阻模式，用戶可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

電荷泵

為了使輸出級(jí)的N溝道FET能夠充分增強(qiáng)，集成了電荷泵電路，產(chǎn)生高于PVDD電源的電壓。電荷泵需要兩個(gè)外部電容進(jìn)行操作。

擺率控制

通過(guò)SLEW引腳可調(diào)節(jié)輸出電壓的擺率，提供四種擺率設(shè)置：25V/μs、50V/μs、125V/μs或200V/μs，有助于優(yōu)化輻射發(fā)射、二極管恢復(fù)尖峰的能量和持續(xù)時(shí)間以及與寄生相關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓瞬變。

交叉?zhèn)鲗?dǎo)（死區(qū)時(shí)間）

通過(guò)插入死區(qū)時(shí)間（t_dead）避免了高端和低端MOSFET之間的直通事件，確保了電路的安全性和穩(wěn)定性。

傳播延遲

傳播延遲時(shí)間（t_pd）由數(shù)字輸入去毛刺延遲、模擬驅(qū)動(dòng)器和比較器延遲三部分組成，輸入去毛刺器可防止輸入引腳上的高頻噪聲影響柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)。

保護(hù)功能

具備多種保護(hù)功能，如PVDD電源欠壓鎖定、AVDD欠壓鎖定、VCP電荷泵欠壓鎖定、過(guò)流鎖存保護(hù)和熱關(guān)斷等，有效保護(hù)了設(shè)備和系統(tǒng)免受故障影響。

4. 設(shè)備功能模式

復(fù)位模式

RESETZ引腳管理設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，設(shè)備進(jìn)入低功耗睡眠模式，輸出級(jí)、電荷泵和AVDD被禁用。設(shè)備從睡眠模式喚醒需要經(jīng)過(guò)t_WAKE時(shí)間。

操作模式

當(dāng)RESETZ引腳為高電平且V_PVDD電壓大于V_UVLO電壓時(shí)，設(shè)備進(jìn)入操作模式，電荷泵和AVDD調(diào)節(jié)器處于活動(dòng)狀態(tài)。

故障復(fù)位

在設(shè)備出現(xiàn)鎖定故障時(shí)，可通過(guò)向RESETZ引腳發(fā)送復(fù)位脈沖使設(shè)備恢復(fù)到操作狀態(tài)。

OUTOFF功能

通過(guò)OUTOFF引腳可獨(dú)立禁用預(yù)驅(qū)動(dòng)器和MOSFET，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，輸出FET被禁用。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息

DRV2911-Q1是雙芯片超聲波鏡頭清潔系統(tǒng)（ULC）中的驅(qū)動(dòng)器，與ULC1001-Q1控制器配合使用，能夠接收PWM輸入并驅(qū)動(dòng)基于壓電的鏡頭蓋系統(tǒng)（LCS）。輸出信號(hào)可通過(guò)LC濾波器進(jìn)行升壓后驅(qū)動(dòng)LCS。

2. 典型應(yīng)用

設(shè)計(jì)流程

典型的ULC應(yīng)用中，主機(jī)處理器配置ULC1001-Q1控制器，控制器驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)到DRV2911-Q1。DRV2911-Q1的輸出可通過(guò)LC濾波器后驅(qū)動(dòng)LCS。在OUTA驅(qū)動(dòng)器輸出線路中放置一個(gè)檢測(cè)電阻，用于電流檢測(cè)，并將電流和電壓檢測(cè)連接路由回控制器。

電壓和電流檢測(cè)電路

每個(gè)輸入到ULC1001-Q1電流和電壓檢測(cè)放大器的信號(hào)都需要一個(gè)分壓器，將換能器兩端的高電壓降低到0V至0.9V。使用特定的公式和參考電阻值來(lái)確定檢測(cè)電路的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高精度的功率測(cè)量。

3. 電源供應(yīng)建議

大容量電容

適當(dāng)?shù)谋镜卮笕萘侩娙輰?duì)于驅(qū)動(dòng)器的最佳性能至關(guān)重要。所需的本地電容大小取決于系統(tǒng)的最高電流需求、電源的電容和電流能力、電源與負(fù)載之間的寄生電感以及可接受的電壓紋波等因素。

4. 布局設(shè)計(jì)

布局指南

• 大容量電容應(yīng)盡量靠近驅(qū)動(dòng)器放置，連接的金屬走線應(yīng)盡可能寬，并使用多個(gè)過(guò)孔連接PCB層，以減小電感并允許大容量電容提供高瞬時(shí)電流。
• 小值電容如電荷泵、AVDD和VREF電容應(yīng)使用陶瓷電容，并靠近設(shè)備引腳放置。
• 高電流設(shè)備輸出應(yīng)使用寬金屬走線。
• 為減少噪聲耦合和EMI干擾，應(yīng)將PGND和AGND進(jìn)行分區(qū)接地，建議將所有非功率級(jí)電路（包括散熱墊）連接到AGND，以減少寄生效應(yīng)并提高設(shè)備的散熱性能。
• 設(shè)備的散熱墊應(yīng)焊接到PCB頂層接地平面，并使用多個(gè)過(guò)孔連接到大面積底層接地平面，以提高散熱效果。

熱考慮

DRV2911-Q1具有熱關(guān)斷功能，當(dāng)芯片溫度超過(guò)165°C（最小值）時(shí)，設(shè)備將被禁用，直到溫度降至安全水平。在設(shè)計(jì)PCB和散熱措施時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)備的功率損耗，包括待機(jī)功率損耗、LDO功率損耗、FET導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗以及二極管損耗等。

五、總結(jié)

DRV2911-Q1是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的全橋PWM輸入壓電驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)為超聲波鏡頭清潔應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其豐富的保護(hù)功能、靈活的配置選項(xiàng)和良好的電氣性能，使其在汽車(chē)成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師們?cè)?a href="http://m.sdkjxy.cn/soft/data/61-62/" target="_blank">設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮其特性和要求，合理進(jìn)行布局和參數(shù)設(shè)置，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似驅(qū)動(dòng)器的散熱問(wèn)題或者保護(hù)功能觸發(fā)的情況呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。