DRV816x系列半桥智能栅极驱动器：功能、应用与设计要点

作为电子工程师，在设计电机驱动电路时，一款性能出色且功能丰富的栅极驱动器至关重要。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的DRV816x系列半桥智能栅极驱动器，包括DRV8161、DRV8162和DRV8162L。

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一、器件概述

DRV816x系列器件是专为驱动高侧和低侧N沟道MOSFET而设计的半桥栅极驱动器。它具有集成度高、功能丰富、保护完善等特点，能广泛应用于各种电机驱动和其他需要功率开关控制的场合。

（一）关键特性

1. 驱动能力：可驱动半桥配置的两个N沟道MOSFET，高侧MOSFET源极/漏极电压最高可达102V（绝对最大值），栅极驱动电源电压范围为8V（DRV8162L为5V）至20V，还集成了自举二极管。
2. 功能安全：具备功能安全质量管理，提供相关文档以辅助功能安全系统设计。
3. PWM支持：支持100%的PWM占空比，集成了涓流充电泵。
4. 栅极驱动电流：提供16级栅极驱动峰值电流，源电流范围为16mA - 1000mA，灌电流范围为32mA - 2000mA，且源 - 灌电流比有1:1、1:2、1:3可选。
5. 死区时间调整：PWM死区时间可在20ns - 900ns之间调整。
6. 保护功能：集成了GVDD欠压保护（GVDDUV）、自举欠压保护（BST_UV）、MOSFET过流保护（VDS）、直通保护、热关断（OTSD）等多种保护功能，并通过nFAULT引脚指示故障状态。
7. 逻辑输入兼容性：支持3.3V和5V逻辑输入。

（二）应用领域

该系列器件适用于多种应用场景，包括工业及协作机器人、移动机器人（AGV/AMR）、直线电机运输系统、伺服驱动器、无人机、电动自行车、电动滑板车等电动交通工具。

二、器件比较

DRV8161和DRV8162/DRV8162L在一些特性上存在差异，具体如下表所示：

器件	器件变体	封装引脚数	电流检测放大器	栅极驱动电源	最小GVDD工作电压	控制模式
DRV8161	DRV8161	20	有	GVDD	8V	2 - 引脚PWM、1 - 引脚PWM、独立FET
DRV8162	DRV8162	无	GVDD和GVDD_LS	8V
DRV8162L				5V

从表中可以看出，DRV8161集成了低侧电流检测放大器，可用于电流反馈；而DRV8162和DRV8162L提供了单独的GVDD和GVDD_LS引脚，有助于实现安全转矩关断（STO）功能。

三、引脚配置与功能

DRV816x系列器件采用20引脚VSSOP封装，不同引脚具有不同的功能。以下是一些关键引脚的功能说明：

1. DT/MODE：选择输入引脚接口逻辑和栅极驱动死区时间设置。通过在DT和GND之间连接电阻，可调整死区时间在20ns至900ns之间，并选择PWM模式。
2. INH/IN和INL/EN：栅极驱动器控制输入，其控制方式取决于DT/MODE引脚的设置。
3. nDRVOFF：栅极驱动器关断控制引脚。将其拉低可使高侧和低侧外部MOSFET关断，将栅极驱动器置于下拉状态。
4. nFAULT/nDRVOFF（DRV8161）和nFAULT（DRV8162/DRV8162L）：故障指示引脚。在故障条件下，该引脚被拉低。

四、电气特性与性能参数

（一）绝对最大额定值

在使用DRV816x器件时，需要注意其绝对最大额定值，超出这些范围可能会导致器件永久性损坏。例如，nFAULT引脚的电压范围为 - 0.3V至20V，INH(IN)、INL(EN)、nDRVOFF、VDSLVL引脚的电压范围也为 - 0.3V至20V等。

（二）推荐工作条件

为了确保器件的正常工作和性能稳定，应在推荐工作条件下使用。例如，GVDD电源电压范围为8V至20V（DRV8162L为5V至20V），VDRAIN高侧漏极引脚电压范围为0V至90V等。

（三）电气性能参数

器件的电气性能参数包括各种电流、电压、时间等参数。例如，栅极驱动的上升和下降传播延迟时间在25ns至80ns之间，电流检测放大器的增益可在5V/V、10V/V、20V/V、40V/V之间调整等。

五、功能详细描述

（一）栅极驱动器

DRV816x系列器件集成了高侧和低侧FET栅极驱动器，采用自举栅极驱动架构，在PWM开关期间生成高侧栅极驱动器电压。GVDD引脚为高侧和低侧栅极驱动器供电，并设置FET的VGS电压。

1. PWM控制模式

该系列器件提供三种不同的PWM控制模式：2 - 引脚PWM、1 - 引脚PWM和独立PWM模式。这些模式通过DT/MODE引脚进行配置。

• 2 - 引脚PWM模式：半桥驱动器支持低、高或高阻抗（Hi - Z）三种输出状态，由INH和INL信号控制。
• 1 - 引脚PWM模式：IN引脚控制半桥，支持低或高两种输出状态，EN引脚可将半桥置于Hi - Z状态。
• 独立PWM模式：INH和INL引脚分别控制GH和GL输出，可独立驱动高侧和低侧负载，适用于驱动螺线管、开关磁阻电机等。

2. 栅极驱动架构

栅极驱动器采用互补推挽拓扑，低侧栅极驱动器直接由GVDD调节器电源供电，高侧栅极驱动器通过集成的自举二极管和外部自举电容生成浮动高侧栅极电压。

3. 涓流充电泵（TCP）

内部涓流充电泵连接到BST节点，可减少驱动器和外部组件泄漏电流引起的电压降。在独立PWM模式下，充电泵始终处于激活状态；在2 - 引脚PWM和1 - 引脚PWM模式下，若INL保持低电平250us（典型值），充电泵将被激活。

4. 死区时间和直通保护

DRV816x提供死区时间插入功能，可防止半桥的两个外部MOSFET同时导通。死区时间可通过在DT/MODE和地之间连接电阻进行调整。在2 - 引脚PWM模式下，还具备直通保护功能，当高侧和低侧输入同时为高电平时，会关闭高侧和低侧输出，防止直通现象发生。

（二）低侧电流检测放大器（DRV8161）

DRV8161集成了高性能低侧电流检测放大器，用于使用低侧分流电阻进行电流测量。该放大器具有可配置的增益，可通过CSAGAIN引脚设置为5V/V、10V/V、20V/V或40V/V。

（三）栅极驱动器关断序列

当nDRVOFF引脚被拉低时，栅极驱动器进入关断状态，覆盖INH/IN和INL/EN输入引脚的信号。在关断过程中，栅极驱动器会以IDRVN_SD电流进行主动下拉，持续时间为tDRVN_SD。

（四）保护电路

DRV816x系列器件具备多种保护电路，可确保器件在异常情况下的安全运行。

1. GVDD欠压锁定（GVDD_UV）：当GVDD引脚电压低于VGVDD_UV阈值电压超过tGVDD_UV_DG消抖时间时，器件检测到GVDD欠压事件，所有栅极驱动器输出被拉低，充电泵禁用，nFAULT引脚被拉低。
2. MOSFET VDS过流保护（VDS_OCP）：通过监测外部MOSFET的VDS电压降，检测过流或短路情况。当VDS电压超过VVDSLVL阈值超过tDS_DG消抖时间时，器件检测到VDS过流事件，所有栅极驱动器输出被拉低，nFAULT引脚被拉低。
3. 热关断（OTSD）：当芯片结温超过热关断阈值时，器件检测到OTSD事件，所有栅极驱动器输出被拉低，nFAULT引脚被拉低。
4. 自举欠压保护：当BST - SH引脚电压低于V BST_UV阈值时，高侧栅极驱动器进入半主动下拉状态。

六、应用与设计要点

（一）典型应用电路

1. DRV8161典型应用

DRV8161的典型应用电路包括与MCU或数字控制器的连接，通过PWM信号控制栅极驱动器，同时利用电流检测放大器进行电流反馈。

2. DRV8162和DRV8162L典型应用

DRV8162和DRV8162L的典型应用电路与DRV8161类似，但具有单独的GVDD和GVDD_LS引脚，可用于实现STO功能。

（二）外部组件选择

在设计应用电路时，需要选择合适的外部组件，如自举电容、GVDD电容、VDRAIN电容、硬件接口电阻等。以下是一些推荐的组件值：

1. 自举电容（CBST）：推荐值为1.0μF，其额定电压应根据外部MOSFET的总栅极电荷和V BST - V SH电压确定。
2. GVDD电容（CGVDD）：推荐值为10μF，用于稳定GVDD电源电压。
3. VDRAIN电容（CVDRAIN）：推荐值为0.1μF，用于为充电泵提供稳定的开关电流。

（三）布局指南

为了确保器件的性能和可靠性，在PCB布局时需要遵循以下指南：

1. 尽量减小GH、SH、GL和SL走线的长度和阻抗，减少过孔数量，以降低寄生电感。
2. 将自举电容CBST靠近相应引脚放置，将GVDD电容靠近GVDD引脚放置，将VDRAIN电容靠近VDRAIN引脚放置。
3. 为外部MOSFET的高电流路径添加额外的大容量电容，以旁路高电流，并尽量减小高电流路径的长度。
4. 将SL引脚连接到MOSFET源极，而不是直接连接到GND，以实现准确的VDS检测。
5. 对于DRV8161，将SN/SP引脚从检测电阻并行布线到器件，并将滤波组件靠近器件引脚放置，以减少滤波后噪声耦合。

（四）电源供应建议

DRV816x系列器件的输入电压范围为5V至90V，需要在VDRAIN引脚附近放置一个0.1μF的陶瓷电容。此外，还需要根据应用需求添加适当的大容量电容，以确保电源的稳定性。

七、总结

DRV816x系列半桥智能栅极驱动器是一款功能强大、性能出色的电机驱动解决方案。它具有丰富的保护功能、灵活的PWM控制模式和可配置的参数，适用于各种电机驱动和功率开关控制应用。在设计过程中，我们需要根据具体应用需求选择合适的器件型号，并注意引脚配置、电气特性、布局和电源供应等方面的要点，以确保系统的稳定性和可靠性。

作为电子工程师，你在使用类似栅极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。