汽车级驱动芯片 DRV81602-Q1 开发指南

在电子工程师的日常工作中，汽车电子领域的硬件设计一直是个充满挑战与机遇的舞台。今天，咱们就来深入聊聊德州仪器（TI）推出的 8 通道、40V、700mΩ、具备全面保护功能且可配置的低侧和高侧驱动器——DRV81602-Q1。

文件下载：drv81602-q1.pdf

核心特性

1. 汽车级认证与安全设计

这颗芯片通过了 AEC - Q100 汽车应用认证，温度等级为 1，可在 - 40°C 至 + 125°C 的环境温度下稳定工作。而且它具备功能安全能力，还提供相关文档来辅助功能安全设计，这对于对安全性要求极高的汽车电子应用来说，无疑是一颗“定心丸”。

2. 灵活的电源设计

- **模拟电源**：支持 3V 至 40V 的模拟电源电压，即使在低至 3V 的启动电压下也能正常工作，完全符合 LV124 汽车标准。
- **数字电源**：数字电源电压范围为 3V 至 5.5V，与 3.3V 和 5V 的微控制器都能完美兼容。

3. 强大的保护与诊断功能

- **保护特性**：涵盖了多种保护功能，如反接电池保护、对地和电池短路保护、欠压稳定工作、过流锁断、过温警告、热关断锁断、过压保护以及电池和接地丢失保护等。
- **诊断特性**：可通过 SPI 寄存器提供诊断信息，包括导通状态下的过载检测、导通和关断状态下的开路负载检测以及输入和输出状态监测。

4. 独特的功能设计

- **双并行输入与映射功能**：拥有两个带有映射功能的并行输入，可在跛行回家模式下实现故障安全激活。
- **PWM 与 BIM 模式**：集成两个独立的内部 PWM 发生器，可用于驱动 LED；还具备灯泡浪涌模式（BIM），适用于驱动 2W/5W 灯泡和其他电容性负载。
- **低电流睡眠模式**：当 (T_J ≤85^{circ}C) 时，睡眠模式电流小于 3μA，有效降低功耗。
- **SPI 通信**：采用 16 位 SPI 进行控制和诊断，支持菊花链连接，还能与 8 位 SPI 设备兼容。

应用领域

DRV81602 - Q1 的应用范围非常广泛，特别适用于汽车和工业领域。例如，在汽车的区域控制模块（ZCM）、车身控制模块（BCM）、汽车照明系统、汽油和柴油发动机控制以及车辆控制单元（VCU）等应用场景中都能发挥重要作用，同时也可用于可编程逻辑控制器（PLC）。

技术参数分析

1. 电气特性

- 绝对最大额定值：涵盖了各种电压、电流和温度的极限值。比如模拟电源电压 (V_M) 范围为 - 0.3V 至 42V，数字电源电压 (V_{DD}) 范围为 - 0.3V 至 5.75V 等。操作超出这些绝对最大额定值可能会导致设备永久性损坏，所以在设计时一定要严格遵守。
- ESD 额定值：给出了不同引脚的静电放电（ESD）额定值，如 OUT 引脚相对于 VM 或 GND 的人体模型（HBM）为 ± 4000V，其他引脚为 ± 2000V 等，这有助于我们在设计中考虑 ESD 防护措施。
- 推荐工作条件：包括正常工作的电源电压范围、逻辑电源电压、控制和 SPI 输入电压以及环境温度等。例如，正常工作时 (V_{M_NOR}) 为 4V 至 40V， (V_{DD}) 为 3V 至 5.5V。

2. 典型特性

- 文档中给出了多个典型特性图表，如不同温度和电源电压下的空闲模式和活动模式电源电流、开关导通电阻、漏源钳位电压、过流保护阈值等。这些图表能帮助我们直观地了解芯片在不同条件下的性能表现，为设计提供重要参考。

详细设计解析

1. 引脚配置与功能

芯片采用 24 引脚 HTSSOP（PWP）封装，每个引脚都有其特定的功能。比如，VM 引脚为功率级和保护电路提供模拟电源电压，VDD 引脚为 SPI 提供数字电源电压，nSCS 引脚为串行芯片选择等。在进行 PCB 设计时，我们要根据引脚功能合理布局，确保信号传输稳定。

2. 工作模式

芯片具有睡眠模式、空闲模式、活动模式和跛行回家模式四种工作模式。模式的转换由 nSLEEP 引脚逻辑电平、INx 引脚逻辑电平、ENx 位状态、ACT 位状态以及 EN_PWM0 和 EN_PWM1 位状态等因素决定。不同的工作模式下，芯片的电流消耗、通道控制和 SPI 通信等功能会有所不同，我们需要根据实际应用场景合理选择工作模式。

3. 电源管理

芯片由 (VM)（模拟电源电压）和 (V{DD})（数字电源电压）供电。当 (VM) 电压下降到 (V{DD}) 电压以下时，VDD 引脚的电流消耗会增加。同时， (VM) 和 (V{DD}) 都有欠压检测电路，欠压会影响电源级的激活和 SPI 通信。在设计电源电路时，要确保电源的稳定性，避免欠压情况对芯片造成不良影响。

4. 功率级设计

DRV81602 - Q1 采用 N 沟道 MOSFET 构建功率级，有 6 个可自动配置的通道，既可以作为低侧开关，也可以作为高侧开关。在配置时，要根据负载的连接方式自动调整诊断和保护功能。

• 开关电阻负载：默认开关转换速率为 1.3V/μs，可通过配置寄存器 2 中的 SR 位将其提高到 2.5V/μs。
• 电感输出钳位：在关闭电感负载时，功率开关两端的电压会上升到 (V{DS_CL}) 电位，输出引脚电压不能低于 (V{OUT_S_CL})，通过电压钳位来防止设备损坏。
• 最大负载电感：电感负载退磁时，磁能会在芯片中耗散，最大能量转换为热量受芯片热设计限制。
• 反向电流行为：在反向电流情况下，受影响的通道可能会保持导通或关断状态，可能会导致 ERRx 位设置，并且会对部分参数产生影响，但不影响其他通道的基本功能。不过要注意，反向电流时没有温度保护和过载保护机制，可能会导致芯片温度升高。
• 并联通道开关：在短路情况下，并联通道可能会异步关断，可通过 SPI 寄存器配置相邻通道的并行操作，使最快响应的通道在过载或过温时同时关闭另一个通道。
• 灯泡浪涌模式（BIM）：当驱动电容性负载时，开关导通后的浪涌电流可能会使通道过载锁断。设置 BIMx 位为 1b 后，通道在达到过载电流或过温阈值锁断后，会在 (t_{INRUSH}) 时间后自动重启，允许负载度过浪涌阶段。
• 集成 PWM 发生器：芯片有两个独立的集成 PWM 发生器，可分配给一个或多个通道，并可设置不同的占空比和频率。通过 FPWM 位可以调整内部振荡器产生的基本频率 (f_{INT})，每个 PWM 发生器还可设置占空比、频率、通道输出控制和映射寄存器。

5. 保护与诊断功能

- **欠压保护**：当 (V_M) 电压在 (V_{M_UVLO}) 和 (V_{M_OP}) 之间时，欠压机制会触发，逻辑会设置 UVRVM 位。当 (V_M) 高于 (V_{M_OP}) 时，在第一次标准诊断读出后 UVRVM 位会清零。
- **过流保护**：有两个过流阈值 (I_{L_OCP0}) 和 (I_{L_OCP1})，根据 OCP 位的值而定。当负载电流超过阈值时，经过 (t_{OFF_OCP}) 时间后，过载通道会关断，同时 ERRx 位会设置。通过设置 CLRx 位为 1b 可以清除保护锁存，重新开启通道。
- **过温保护**：每个通道都集成了温度传感器，当通道过热时会自动关断，ERRx 位会设置。同样，通过设置 CLRx 位为 1b 可以清除保护锁存，重新开启通道。
- **过温警告**：当芯片温度超过过温警告阈值（TOTW）时，配置寄存器 2 中的 OTW 位会设置，芯片继续正常工作。当温度低于滞后点（THYS_OTW）时，OTW 位会自动清零。
- **跛行回家模式下的保护**：在跛行回家模式下，通道 2 和 3 可通过输入引脚开启。在过流、短路或过温情况下，通道会关断。如果输入引脚保持高电平，通道会按照一定的时间间隔重启。
- **反极性保护**：在反极性（反向电池）情况下，低侧通道和用作低侧开关的可自动配置通道的体二极管会产生功率损耗，用作高侧开关的可自动配置通道会导通以降低功率损耗。但要注意，此时没有温度保护和电流限制机制。
- **过压保护**：在 (V_{M_SC}) 和 (V_{M_LD}) 之间的电源电压下，输出 MOSFET 仍可正常工作。除了电感负载的输出钳位外，还有一个过压保护钳位机制，用于监测 VM 和 GND 引脚之间的电压。
- **输出状态监测**：芯片会比较每个通道的 (V_{DS}) 与 (V_{OSM})（低侧开关配置）或 (V_{OUT_S}) 与 (V_{OSM})（高侧开关配置），并相应设置 OSMx 位。可通过编程 IOLx 位启用与功率开关并联的诊断电流 (I_{OL})，用于关断状态下的开路负载检测。
- **导通状态下的开路负载检测**：每个高侧开关和用作高侧开关的可自动配置通道都可以检测导通状态下的开路负载，通过编程 EN_OLON 位进行控制。有直接通道诊断和诊断循环两种模式，可根据不同的设置更新 OLON 位。

6. SPI 通信

- **SPI 信号描述**：SPI 是一个全双工同步串行从接口，使用 SDO、SDI、SCLK 和 nSCS 四条线。nSCS 引脚用于选择设备，SCLK 引脚为内部移位寄存器提供时钟，SDI 引脚用于输入数据，SDO 引脚用于输出数据。
- **菊花链功能**：支持菊花链连接，多个设备可以通过相同的 nSCS 信号激活，SDI 线连接前一个设备的 SDO 线，形成一个链。
- **SPI 协议**：SPI 协议在微控制器触发下，对命令帧的响应会在下一次传输中给出。在某些特殊情况下，如传输错误、电源复位或命令语法错误时，响应帧会有特殊处理。
- **SPI 寄存器**：包括标准诊断寄存器、输出控制寄存器、灯泡浪涌模式寄存器等多个寄存器，每个寄存器都有其特定的功能和默认值。通过对这些寄存器的读写操作，可以实现对芯片的控制和状态监测。

应用与实现建议

1. 外部组件建议

为了确保芯片的正常工作和稳定性，建议使用以下外部组件：

• 在 IN0、IN1 和 nSLEEP 引脚串联 4.7kΩ 电阻，用于保护微控制器在过电压和反极性情况下不受损坏，同时在接地丢失时保持输出通道关闭。
• 在 nSCS、SCLK、SDI 和 SDO 引脚串联 470Ω 电阻，同样用于保护微控制器。
• 在 VDD 引脚串联 100Ω 电阻和 100nF 旁路电容，用于逻辑电源电压滤波。
• 在 VM 引脚并联 68nF 旁路电容和 TVS3300 二极管，分别用于电池电压滤波和过电压保护。
• 可在每个 OUT 引脚并联 10nF 电容，用于保护芯片免受 ESD 和 BCI 影响。

2. 布局指南

- 在布局时，要将 VM 引脚通过低 ESR 陶瓷旁路电容（推荐值 68nF）连接到 GND，电容要尽可能靠近 VM 引脚，并使用厚走线或接地平面连接到设备的 GND 引脚。
- VDD 引脚也需要通过低 ESR 陶瓷电容（推荐值 100nF，额定电压 6.3V）接地，电容要靠近引脚放置。
- 要避免电源引脚和去耦电容之间产生电感，在芯片的 IN0、IN1、nSLEEP、nSCS、SCLK、SDI、SDO 和 VDD 引脚与微控制器的相应引脚之间串联电阻。
- 芯片的散热焊盘必须连接到系统接地，建议使用大的、连续的单一接地平面，可将其设置在 PCB 底层。从接地引脚到接地平面的走线要尽可能短而宽，并使用多个过孔以降低阻抗。同时，要尽量清理芯片周围的空间，特别是 PCB 底层，以提高散热效果。此外，单个或多个内部接地平面连接到散热焊盘也有助于散热和降低热阻。

总结

DRV81602 - Q1 是一款功能强大、性能稳定且应用灵活的汽车级驱动芯片。它不仅具备丰富的保护和诊断功能，还能适应多种工作模式和应用场景。在实际设计中，我们需要根据具体需求合理选择工作模式、配置引脚和寄存器，同时注重外部组件的选择和 PCB 布局，以确保芯片能够发挥出最佳性能。

各位电子工程师们，你们在使用类似芯片时遇到过哪些问题呢？又有哪些独特的解决经验呢？欢迎在评论区分享交流！