DRV10975：三相無傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動的理想之選

在電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，找到一款性能卓越、功能豐富且適配多種應(yīng)用場景的驅(qū)動芯片是工程師們一直追求的目標(biāo)。德州儀器（TI）的DRV10975和DRV10975Z就是這樣的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，它們?yōu)槿酂o傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動帶來了出色的解決方案。今天，我們就來深入了解一下DRV10975的各項(xiàng)特性、功能以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

DRV10975是一款集成了功率MOSFET的三相無傳感器電機(jī)驅(qū)動器，能夠提供高達(dá)1.5A的連續(xù)驅(qū)動電流。它專為對成本敏感、低噪聲、外部元件數(shù)量少的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，適用于12V電機(jī)驅(qū)動場景。該芯片具有多種靈活的用戶接口選項(xiàng)，可通過簡單的I2C接口進(jìn)行配置，以適應(yīng)不同客戶應(yīng)用的電機(jī)參數(shù)和啟動曲線。

二、產(chǎn)品特性剖析

2.1 電氣特性優(yōu)勢

• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為6.5V至18V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，為設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。
• 低導(dǎo)通電阻：總驅(qū)動（H + L） (r_{DS(on)}) 僅為250mΩ，有效降低了功率損耗，提高了系統(tǒng)效率。
• 高驅(qū)動電流能力：可提供1.5A的連續(xù)繞組電流（2A峰值），滿足大多數(shù)電機(jī)的驅(qū)動需求。

2.2 控制方案亮點(diǎn)

• 無傳感器BEMF控制：采用專有的無傳感器反電動勢（BEMF）控制方案，實(shí)現(xiàn)連續(xù)正弦波180°換向，無需外部感應(yīng)電阻，大大減少了外部元件數(shù)量，降低了成本。不過，如果需要監(jiān)測電機(jī)功率，用戶也可以選擇添加外部感應(yīng)電阻。
• 靈活的用戶接口：支持多種用戶接口選項(xiàng)，包括I2C接口，可用于訪問寄存器進(jìn)行命令和反饋；專用的SPEED引腳，可接受模擬或PWM輸入；專用的FG引腳，提供轉(zhuǎn)速反饋；通過EEPROM可自定義啟動曲線；通過DIR引腳實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。

2.3 集成式穩(wěn)壓方案

集成了降壓穩(wěn)壓器，可高效地為內(nèi)部和外部電路提供5V或3.3V電壓。不同版本的芯片在功耗上有所差異，DRV10975待機(jī)版本的電源電流為4.5mA，而DRV10975Z睡眠版本的電源電流僅為80μA，能有效降低功耗。

2.4 多重保護(hù)機(jī)制

具備過流保護(hù)、鎖定檢測、電壓浪涌保護(hù)、欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)等多種保護(hù)機(jī)制，確保了芯片在各種復(fù)雜工況下的可靠運(yùn)行。

2.5 散熱優(yōu)化封裝

采用熱增強(qiáng)型24引腳HTSSOP封裝，有助于更好地散熱，保證芯片在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。

三、功能模塊詳解

3.1 調(diào)節(jié)器

• 降壓調(diào)節(jié)器：DRV10975包含一個滯回降壓電壓調(diào)節(jié)器，可工作在開關(guān)降壓模式（使用外部電感）或線性調(diào)節(jié)模式（使用外部電阻）。在降壓模式下能實(shí)現(xiàn)最佳效率，但DRV10975Z睡眠模式版本僅支持線性調(diào)節(jié)模式，并需配合齊納二極管使用。調(diào)節(jié)器輸出電壓可通過寄存器位VregSel進(jìn)行配置，推薦將其設(shè)置為5V以獲得更清潔、低諧波的相電流。
• 3.3V和1.8V LDO：還集成了3.3V LDO和1.8V LDO。3.3V LDO由Vreg供電，主要為內(nèi)部電路供電，也可驅(qū)動不超過 (I_{V3P3_MAX}) 的外部負(fù)載；1.8V LDO由3.3V LDO供電，僅用于內(nèi)部電路。

3.2 保護(hù)電路

• 熱關(guān)斷：當(dāng)結(jié)溫超過 (T{SDN}) °C時，芯片會自動關(guān)閉，當(dāng)結(jié)溫降至 (T{SDN}-T_{SDN_HYS}) °C時恢復(fù)工作。在熱關(guān)斷期間，OverTemp狀態(tài)位（地址0x10位7）會被置位。
• 欠壓鎖定（UVLO）：內(nèi)置的UVLO功能塊具有一定的滯后性，當(dāng)VCC降至 (V_{UVLOF}) 時，芯片被鎖定，當(dāng)VCC上升到 (V{UVLO_R}) 時喚醒。
• 過流保護(hù)（OCP）：當(dāng)檢測到FET電流超過 (I_{OC_limit}) 閾值時，過流保護(hù)功能會將輸出驅(qū)動器置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，直到過流情況消失。此時，OverCurr狀態(tài)位（地址0x10位5）會被置位。
• 鎖定保護(hù)：當(dāng)電機(jī)被外部力阻塞或停止時，鎖定保護(hù)觸發(fā)，芯片立即停止驅(qū)動電機(jī)。經(jīng)過鎖定釋放時間 (t_{LOCK_OFF}) 后，芯片會嘗試重新驅(qū)動電機(jī)。在鎖定期間，MtrLck狀態(tài)位（地址0x10，位4）會被置位。

3.3 電機(jī)速度控制

DRV10975提供了四種間接控制電機(jī)速度的方法，通過調(diào)整輸出電壓幅值來實(shí)現(xiàn)。用戶可以通過改變電源電壓 (V_{CC}) 或控制速度命令來調(diào)節(jié)電機(jī)速度。速度命令可以通過PWM輸入（SPEED引腳配置為PWM模式）、模擬輸入（SPEED引腳配置為模擬模式）或直接通過I2C串口寫入SpdCtrl[8:0]來設(shè)置。

3.4 睡眠或待機(jī)狀態(tài)

芯片有睡眠模式和待機(jī)模式兩種版本。進(jìn)入睡眠或待機(jī)狀態(tài)時，電機(jī)停止驅(qū)動以節(jié)省能量。睡眠模式下，降壓調(diào)節(jié)器被禁用，I2C接口也被禁用，未存儲在EEPROM中的寄存器數(shù)據(jù)會被重置；待機(jī)模式下，降壓調(diào)節(jié)器保持活躍，寄存器數(shù)據(jù)得以保留，I2C接口仍然可用。設(shè)置sleepDis = 1可防止芯片進(jìn)入睡眠或待機(jī)狀態(tài)，但如果芯片已經(jīng)處于該狀態(tài)，設(shè)置此位無效。

3.5 非易失性存儲器

DRV10975擁有96位的EEPROM數(shù)據(jù)，用于編程電機(jī)參數(shù)。編程EEPROM時，建議在電機(jī)不旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行，編程完成后進(jìn)行電源循環(huán)，并讀回EEPROM數(shù)據(jù)以驗(yàn)證編程是否成功。

四、設(shè)備功能模式

4.1 電機(jī)參數(shù)配置

電機(jī)相電阻和BEMF常數(shù)（Kt）是表征BLDC電機(jī)的兩個重要參數(shù)，需要在寄存器中進(jìn)行配置。對于星形連接的電機(jī)，電機(jī)相電阻是指相輸出到中心抽頭的電阻；對于三角形連接的電機(jī)，需要將其等效為星形連接來計(jì)算相電阻。這些電阻值需要轉(zhuǎn)換為7位數(shù)字寄存器值進(jìn)行編程。

4.2 不同初始條件下的電機(jī)啟動

電機(jī)在啟動時可能處于靜止、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)三種狀態(tài)。DRV10975針對不同狀態(tài)提供了相應(yīng)的啟動方案：

• 電機(jī)靜止：可通過初始位置檢測（IPD）或Align and Go技術(shù)來初始化換向邏輯，使其與電機(jī)位置同步。
• 電機(jī)正轉(zhuǎn)：如果電機(jī)以足夠的速度正轉(zhuǎn)，可配置芯片直接進(jìn)入閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)最快的啟動時間。
• 電機(jī)反轉(zhuǎn)：可通過反向驅(qū)動使電機(jī)加速通過零速度，也可以選擇等待電機(jī)停止或制動電機(jī)，然后按照靜止電機(jī)的啟動順序重新啟動。

4.3 電機(jī)啟動序列

電機(jī)啟動序列包括多個判斷和狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，如初始速度檢測（ISD）判斷、正反轉(zhuǎn)判斷、反向驅(qū)動判斷、制動判斷、IPD判斷等，最終使電機(jī)進(jìn)入閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。在啟動過程中，如果DIR引腳狀態(tài)發(fā)生改變，芯片會停止驅(qū)動電機(jī)并重新開始啟動序列。

4.4 啟動電流設(shè)置

啟動電流設(shè)置用于控制開環(huán)期間的峰值啟動電流，通過編程OpenLCurr[1:0]位來設(shè)置。同時，為了避免電流突變引起的聲學(xué)噪聲，芯片還提供了啟動電流斜坡上升功能，可通過OpLCurrRt[2:0]設(shè)置最大電壓斜坡上升速率。

4.5 閉環(huán)控制

在閉環(huán)運(yùn)行中，DRV10975不斷采樣電機(jī)U相電流，以此估算BEMF電壓，并根據(jù)估算結(jié)果控制電機(jī)的驅(qū)動狀態(tài)。閉環(huán)控制具有半周期控制和全周期控制兩種模式，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。此外，芯片還提供了模擬模式、數(shù)字PWM輸入模式和I2C模式三種速度控制方式，以及閉環(huán)加速功能和控制系數(shù)調(diào)整功能，以優(yōu)化控制性能。

4.6 電流限制

DRV10975具有多種電流限制模式，包括加速電流限制、鎖定檢測電流限制和過流保護(hù)，以確保電機(jī)的最佳控制和安全運(yùn)行。

4.7 鎖定檢測和故障處理

芯片提供了五種鎖定檢測方案，可快速、可靠地檢測電機(jī)是否鎖定。當(dāng)檢測到鎖定或無電機(jī)連接情況時，芯片會將輸出驅(qū)動器置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，并采取抗電壓浪涌（AVS）措施。經(jīng)過鎖定釋放時間 (t_{LOCK_OFF}) 后，系統(tǒng)會嘗試重新啟動。

4.8 AVS功能

AVS功能用于防止電機(jī)的機(jī)械能或電感性能量返回電源，導(dǎo)致 (V_{CC}) 電壓升高。它包括機(jī)械A(chǔ)VS功能和電感AVS功能，可通過寄存器配置位獨(dú)立禁用。

4.9 PWM輸出

DRV10975提供16種PWM死區(qū)時間選項(xiàng)，可配置為40ns至640ns，以防止橋接FET直通。同時，芯片還提供25kHz和50kHz兩種PWM開關(guān)頻率選項(xiàng)，建議在50kHz PWM開關(guān)頻率下估算Kt有30%左右誤差時，選擇25kHz的開關(guān)頻率。

4.10 FG自定義配置

FG引腳可提供電機(jī)速度和驅(qū)動狀態(tài)信息，其輸出頻率可通過FGcycle[1:0]進(jìn)行配置。在開環(huán)和鎖定狀態(tài)下，F(xiàn)G輸出有三種控制選項(xiàng)，可根據(jù)FGOLsel[1:0]的設(shè)置進(jìn)行選擇。

4.11 診斷和可見性

DRV10975通過I2C接口提供了對電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的廣泛可見性，用戶可以監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、電機(jī)速度、電源電壓、速度命令、電機(jī)相電壓幅值、故障狀態(tài)等信息。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1 應(yīng)用信息

DRV10975適用于無傳感器三相BLDC電機(jī)控制，為家電風(fēng)扇、泵和HVAC等應(yīng)用提供了高性能、高可靠性、靈活且簡單的解決方案。對于DRV10975Z睡眠模式設(shè)備，需要在10μF (V_{REG}) 電容器旁并聯(lián)一個齊納二極管。在連接時，應(yīng)按照特定順序進(jìn)行，以避免熱插拔和浮地問題。

5.2 典型應(yīng)用

5.2.1 設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時，需要確保系統(tǒng)滿足推薦的應(yīng)用范圍，包括電機(jī)電壓、BEMF常數(shù)、相 - 相電阻、相 - 相電感、工作閉環(huán)速度、工作電流和絕對最大電流等參數(shù)要求。同時，建議選擇相 - 相電阻 (R_{ph - ph}) 大于4Ω的電機(jī)，以獲得更清潔、低諧波的相電流。

5.2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 確保系統(tǒng)滿足推薦的應(yīng)用范圍。
• 參考DRV10983和DRV10975調(diào)優(yōu)指南，測量電機(jī)參數(shù)。
• 使用DRV10975 GUI配置參數(shù)，并優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行。
• 參考編程指南將調(diào)優(yōu)設(shè)置燒錄到EEPROM中。
• 根據(jù)布局指南構(gòu)建硬件。
• 將設(shè)備連接到系統(tǒng)中并驗(yàn)證系統(tǒng)解決方案。

六、電源供應(yīng)與布局建議

6.1 電源供應(yīng)

DRV10975設(shè)計(jì)用于6.5V至18V的輸入電壓范圍，用戶需要在 (V_{CC}) 和GND引腳附近放置一個10μF的陶瓷電容。如果電源紋波超過200mV，還需要根據(jù)應(yīng)用需求添加大容量電容。

6.2 布局建議

在布局時，應(yīng)使用粗走線連接 (V{CC}) 、GND、U、V和W引腳，以承載高電流。將10μF電容放置在 (V{CC}) 和GND引腳附近，將電容放置在CPP和CPN引腳附近。同時，要確保GND、PGND和SWGND與散熱墊連接良好，散熱墊的連接面積應(yīng)盡可能大。

七、總結(jié)

DRV10975以其豐富的功能、出色的性能和靈活的配置選項(xiàng)，為三相無傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動提供了一個優(yōu)秀的解決方案。無論是從電氣特性、控制方案，還是保護(hù)機(jī)制和應(yīng)用設(shè)計(jì)方面，都展現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)相關(guān)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)時，DRV10975無疑是一個值得考慮的選擇。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評論區(qū)分享交流。