DRV81620-Q1：汽车与工业应用的理想开关解决方案

在电子工程师的日常工作中，寻找一款性能卓越、功能丰富且适用于多种应用场景的开关器件至关重要。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的DRV81620-Q1，一款专为汽车和工业应用设计的八通道低侧和高侧开关。

文件下载：drv81620-q1.pdf

一、器件概述

DRV81620-Q1集成了保护和诊断功能，输出级包含两个高侧和六个可自动配置为高侧或低侧的开关。其功率晶体管采用N沟道MOSFET构建，并配备一个电荷泵，适用于低电源电压操作，即使在低电池电压（(V_M ≥3 V)）下也能保持稳定状态。

1.1 引脚与封装

该器件采用24引脚HTSSOP（PWP）封装，尺寸为7.8mm x 6.4mm，便于在不同的电路板上进行布局。详细的引脚功能在文档中有明确说明，例如IN0、IN1和nSLEEP等引脚可直接控制设备，无需使用SPI。

1.2 核心特性

• SPI控制与诊断：通过16位SPI接口，可对设备和负载进行控制和诊断。SPI支持菊花链连接，能将多个设备（包括8位SPI设备）连接到同一个SPI链中，大大提高了系统的可扩展性。
• 输入映射功能：两个输入引脚可连接到两个可配置输出，通过输入映射功能，可将输入引脚连接到不同的输出，或为同一个输入引脚分配更多输出，实现更灵活的通道控制。
• 负载诊断与保护：提供负载的开路检测（ON和OFF状态）和短路检测功能。每个输出级都具备短路保护，过流时受影响的通道会自动关闭，并可通过SPI重新激活。同时，温度传感器可保护设备免受过热影响。

二、电气特性分析

2.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。DRV81620-Q1在不同参数下都有明确的限制，例如VM引脚的电压范围为 -0.3V至42V，负载电流单通道最大为IL_OCP0 A等。在设计过程中，必须严格遵守这些额定值，避免器件损坏。

2.2 推荐工作条件

为了获得最佳性能，器件应在推荐的工作条件下运行。例如，正常工作时VM的电源电压范围为4V至40V，VDD的逻辑电源电压为3V至5.5V，环境温度范围为 -40°C至125°C等。

2.3 电气参数

文档中详细列出了各种电气参数，如不同温度下的导通电阻、睡眠模式和空闲模式下的电流消耗、输入输出逻辑电压等。这些参数对于评估器件在不同工作状态下的性能非常重要。例如，在(TJ = 25 °C)时，导通电阻(R{DS(ON)})为0.4至0.95Ω；在睡眠模式下，整体电流消耗较低，有助于降低系统功耗。

三、功能模块详解

3.1 功能框图

从功能框图可以清晰地看到器件的各个组成部分及其相互关系。包括电源模块、温度传感器、过流保护、输出状态监测等模块，它们协同工作，确保器件的稳定运行。

3.2 控制引脚

• 输入引脚（IN0和IN1）：默认情况下，每个输入引脚连接一个通道，可通过输入映射寄存器进行配置，实现更灵活的通道控制。
• nSLEEP引脚：用于控制设备进入睡眠模式或跛行回家模式。当nSLEEP为低电平时，可独立于数字电源电压激活通道2和3。

3.3 电源供应

器件由VM（模拟电源电压）和VDD（数字电源电压）两个电源供电。VM和VDD都具备欠压检测电路，欠压会影响器件的工作状态，如阻止功率级激活、重置SPI寄存器等。在不同的电压条件下，器件的电流消耗和工作模式也会发生相应变化。

3.4 工作模式

DRV81620-Q1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。模式之间的转换由nSLEEP引脚、INx引脚、ENx位、ACT位等因素决定。不同模式下，器件的输出通道状态、SPI寄存器状态和电流消耗都有所不同。例如，睡眠模式下电流消耗最小，所有输出关闭；活动模式是正常驱动负载的模式。

3.5 功率级

• 可配置通道：六个可自动配置的通道可作为低侧或高侧开关使用，根据负载连接方式自动调整诊断和保护功能。
• 开关特性：在开关电阻性负载时，需考虑开关时间和转换速率；在开关电感性负载时，输出电压会被钳位，以防止器件损坏。同时，文档中还给出了最大负载电感的计算公式，帮助工程师合理设计电路。
• 并联通道：通过配置SPI寄存器中的PAR位，可实现相邻通道的并联操作，提高系统的可靠性。
• 灯泡浪涌模式：当驱动电容性负载（如灯泡）时，可启用灯泡浪涌模式，使通道在过载或过热时自动重启，确保负载正常启动。
• 集成PWM发生器：器件集成了两个独立的PWM发生器，可分别分配给一个或多个通道，并可设置不同的占空比和频率，实现更精确的负载控制。

3.6 保护与诊断功能

• 欠压保护：当VM电压低于欠压阈值时，逻辑会设置UVRVM位，影响通道状态。当电压恢复正常后，UVRVM位会在第一次标准诊断读出后清零。
• 过流保护：具有两个过流阈值，当负载电流超过阈值时，受影响的通道会关闭，并设置诊断位ERRx。可通过SPI清除保护锁存，重新激活通道。
• 过温保护：每个通道都配备温度传感器，过热时通道会关闭，同样可通过SPI重新激活。
• 过温警告：当芯片温度超过过温警告阈值时，OTW位会被设置，温度下降后自动清零。
• 反向极性保护：在反向极性条件下，功率损耗由FET的体二极管产生，高侧通道和用作高侧的可配置通道会导通以降低功耗。但需注意，此时温度保护和电流限制等保护机制不生效。
• 过压保护：在特定电源电压范围内，输出MOSFET仍可正常工作，并具备过压保护钳位机制，监测VM和GND引脚之间的电压。
• 输出状态监测：通过比较通道的(V{DS})、(V{outs})等与(V{osm})，可判断通道状态，并设置相应的OSMx位。可通过激活内部电流源(I_{OL})进行开路检测。
• 开路检测（ON状态）：高侧开关和用作高侧的可配置通道可检测ON状态下的开路情况，通过比较(I_{LSx})与(I{L_OL})，设置OLONx位。

3.7 SPI通信

SPI是一种全双工同步串行从接口，使用SDO、SDI、SCLK和nSCS四条线进行数据传输。数据在SDI和SDO线上以SCLK的速率传输，nSCS的下降沿表示访问开始，上升沿表示访问结束。SPI支持菊花链连接，方便多个设备的级联。文档中详细介绍了SPI的信号描述、时序要求、协议和寄存器设置，工程师可根据这些信息进行SPI通信的设计和调试。

四、应用与实现

4.1 应用领域

DRV81620-Q1主要用于汽车和工业应用中，可驱动继电器、灯具、LED和控制电机等。

4.2 建议外部组件

为了确保器件的性能和稳定性，建议使用一些外部组件，如与VDD引脚串联的100Ω电阻、VDD和VM引脚上的旁路电容、VM引脚上的TVS二极管等。

4.3 典型应用电路

文档中给出了典型的应用原理图，展示了器件与电源、负载和控制器的连接方式。工程师可根据实际需求进行适当调整。

4.4 布局指南

合理的布局对于器件的性能和散热至关重要。建议将VM和VDD引脚用低ESR陶瓷电容旁路到地，并尽量靠近引脚放置。同时，应避免电源引脚和去耦电容之间的电感，将器件的输入输出引脚与微控制器之间连接串联电阻。此外，封装的散热焊盘必须连接到系统地，可采用大面积接地平面、多个过孔等方式降低阻抗和电感，提高散热效果。

五、总结

DRV81620-Q1是一款功能强大、性能卓越的八通道低侧和高侧开关，适用于汽车和工业领域的多种应用场景。其丰富的保护和诊断功能、灵活的输入映射和SPI控制方式，为工程师提供了更多的设计选择。在实际应用中，工程师需充分了解器件的电气特性、功能模块和布局要求，合理设计电路，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似器件时遇到过哪些挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。