DRV7167A：高性能GaN半桥电机驱动器的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，寻找一款性能卓越、功能丰富且易于设计的电机驱动器是一项重要任务。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）推出的DRV7167A 100 - V、70A半桥GaN电机驱动器功率级，看看它能为我们的设计带来哪些惊喜。

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产品特性亮点

高功率密度与高效转换

DRV7167A专为48V系统设计，是一款集成驱动器的100V半桥GaN电机驱动器功率级。其低GaN导通电阻表现出色，在 (T{A}=25^{circ} C) 时，每个FET的 (R{DS(ON)}) 仅为2.2 mΩ，这使得它能够实现高效且高密度的功率转换。同时，它具备高达70A (rms) 的连续输出电流能力，以及250A（脉冲，300 μs）的脉冲输出电流能力，能够满足多种高功率应用的需求。

高频开关与精准控制

该驱动器支持高达500 kHz的PWM开关频率，并且具有出色的传播延迟（典型值20ns）和匹配（典型值2ns）特性。这意味着在高频开关应用中，它能够实现更加精准的控制，减少开关损耗，提高系统效率。此外，它还支持对两个FET的导通和关断压摆率进行控制，进一步优化开关性能。

零电压检测与优化

零电压检测（ZVD）报告功能是DRV7167A的一大特色。在软开关应用中，通过该功能可以优化死区时间，最大限度地减少第三象限导通时间，提高系统效率。同时，它还提供单PWM输入选项，适用于IO受限的控制器，为设计提供了更多的灵活性。

强大的保护功能

DRV7167A集成了多种保护功能，确保系统的可靠性和稳定性。在独立输入模式（IIM）下具备短路保护功能，通过内部自举电源电压调节防止GaN FET过驱动，还采用了基于 (V_{DS}) 监测的逐周期短路保护。此外，它还能对过温、欠压和短路事件进行故障指示，以及提供电源轨欠压锁定保护。

优化的封装设计

其封装经过精心设计，采用了外露顶部QFN封装，可实现顶部散热；同时具有大面积GND焊盘，用于底部散热。这种设计不仅有利于散热，还能优化PCB布局，降低设计难度。

广泛的应用领域

DRV7167A的高性能和丰富功能使其适用于多种应用领域，包括但不限于以下几个方面：

• 机器人领域：如人形机器人、协作机器人和移动机器人（AGV/AMR）等，这些应用对电机驱动器的功率密度、响应速度和控制精度有较高要求，DRV7167A能够很好地满足这些需求。
• 伺服驱动系统：48V伺服驱动器需要高效、稳定的功率转换和精准的电机控制，DRV7167A的特性使其成为理想选择。
• 无人机和电动交通工具：无人机、电动自行车、电动滑板车等设备对重量和效率有较高要求，DRV7167A的高功率密度和高效转换特性能够帮助这些设备实现更长的续航和更好的性能。
• 电动工具：电动工具需要快速响应和可靠的电机驱动，DRV7167A的高频开关和保护功能能够满足其工作要求。

技术细节解析

引脚配置与功能

DRV7167A采用18引脚VQFN封装，每个引脚都有特定的功能。例如，DHL/ZVDL和DLH/ZVDH引脚在PWM模式下用于设置死区时间，在IIM模式下用于零电压检测输出；RDLR和RDLF引脚用于设置低侧FET的导通和关断压摆率；ENIN/HI和PWM/LI引脚在不同模式下分别用于使能和控制高侧和低侧FET等。了解这些引脚的功能对于正确使用和设计该驱动器至关重要。

规格参数

绝对最大额定值

在使用DRV7167A时，必须确保其工作条件在绝对最大额定值范围内，否则可能会导致设备永久性损坏。例如，VM到PGND的电压在测试24小时时最大为100V，在150°C下最多承受10,000个5ms脉冲时最大为120V等。

ESD额定值

该驱动器具有一定的静电放电（ESD）防护能力，人体模型（HBM）的ESD额定值为±1000V，带电器件模型（CDM）的角引脚为±750V，内部引脚为±500V。在生产和使用过程中，需要采取适当的ESD防护措施，以确保设备的可靠性。

推荐工作条件

为了保证DRV7167A的正常工作和性能，推荐的GVDD电压范围为4.5 - 5.5V，最大开关频率为500 kHz等。在设计电源和控制系统时，需要严格遵循这些推荐条件。

热信息

了解DRV7167A的热特性对于散热设计至关重要。其结到环境的热阻 (R{θJA}) 为27 °C/W，结到顶部的热阻 (R{θJC(top)}) 为0.4 °C/W等。通过合理的散热设计，可以确保设备在高温环境下稳定工作。

电气特性

电气特性参数包括功率级的导通电阻、源漏极导通压降、泄漏电流、电容值、传播延迟、输入输出电压阈值等。这些参数反映了驱动器的性能和工作特性，在设计电路时需要根据具体应用进行合理选择和优化。

功能实现与工作模式

功能模块

DRV7167A的功能模块包括高侧和低侧栅极驱动器、SCP（短路保护）、ZVD（零电压检测）、UVLO（欠压锁定）、OTP（过温保护）等。这些模块相互协作，共同实现了驱动器的各项功能。

控制输入与模式

该驱动器支持独立输入模式（IIM）和PWM模式。在IIM模式下，输入引脚可以独立控制，支持3.3V和5V逻辑电平；在PWM模式下，只需一个PWM输入，通过外部电阻设置死区时间。同时，它还实现了重叠保护功能，防止上下桥臂同时导通，避免短路故障。

启动与UVLO

DRV7167A在GVDD和BOOT电源上都有欠压锁定（UVLO）功能。当GVDD电压低于3.8V或BOOT到HS的自举电压低于3.2V时，会采取相应的保护措施，防止GaN FET部分导通。UVLO阈值具有200 mV的迟滞，可避免因电压波动引起的误动作。

自举电源调节

高侧偏置电压通过自举技术产生，并在内部调节为5V（典型值），防止栅极电压超过GaN FET的最大栅源电压额定值。

电平转换

电平转换电路实现了高侧输入HI到高侧驱动器级的接口，确保高侧GaN FET栅极驱动器输出能够参考HS引脚，并且与低侧驱动器具有良好的延迟匹配。

零电压检测（ZVD）报告

在IIM模式下，DRV7167A可以通过ZVDH和ZVDL引脚报告高侧和低侧FET是否进入第三象限导通。控制器可以根据这些信息调整死区时间，减少第三象限导通时间，提高效率。

短路保护（SCP）

通过监测FET的 (V{DS}) 电压，实现基于 (V{DS}) 监测的逐周期短路保护。当 (V_{DS}) 超过设定阈值时，关断相应的FET，防止设备损坏。

过温检测（OTD）

DRV7167A监测集成栅极驱动器的管芯温度，当超过OTD + 阈值时指示故障。但它不会自动关闭GaN FET，而是将保护动作留给外部PWM控制器。

故障指示

在EN/FLT引脚可以指示三种故障：低侧GaN FET的短路事件、GVDD电源的UVLO事件和驱动器的过温事件。故障信号在故障存在期间保持低电平，故障消失后还会持续 (t_{FLT}) 时间。

应用与设计建议

典型应用

以无刷直流（BLDC）电机驱动器为例，在设计时需要优化功率环路，将VM电容尽可能靠近DRV7167A放置在PCB顶层，以减小功率环路电感。在PWM模式下，控制器只需提供一个PWM控制信号，DRV7167A内部会生成具有可调死区时间的高侧和低侧信号。

电源供应建议

建议的偏置电源电压范围为4.5 - 5.5V，需要注意保持GVDD偏置电源在推荐范围内，防止低侧GaN晶体管栅极击穿。同时，要在GVDD和AGND引脚之间放置本地旁路电容，推荐使用100 nF陶瓷贴片电容进行高频滤波，以及1 μF - 10 μF的贴片电容满足IC偏置要求。

PCB布局建议

为了充分发挥DRV7167A的快速开关优势，需要优化PCB布局，使功率环路阻抗最小。在多层板设计中，应确保输入电容（VM和PGND之间）的返回路径小且直接位于第一层下方，以减少环路电感。同时，要将GVDD电容和自举电容尽可能靠近设备放置在第一层，并且注意AGND的连接，避免与PGND直接连接，防止噪声干扰。

结语

DRV7167A作为一款高性能的100 - V、70A半桥GaN电机驱动器功率级，具有高功率密度、高频开关、丰富的保护功能和优化的封装设计等诸多优点。它在机器人、伺服驱动、无人机、电动交通工具和电动工具等领域都有广泛的应用前景。电子工程师在设计相关产品时，可以充分考虑DRV7167A的特性和优势，结合其规格参数和设计建议，打造出更加高效、稳定的电机驱动系统。你在使用类似的电机驱动器时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。