DRV8316C-Q1：集成电机驱动芯片的深度解析

在电机驱动领域，集成度高、功能丰富的芯片往往能为工程师带来更多便利。TI公司的DRV8316C-Q1就是这样一款值得关注的产品，它专为三相电机驱动应用而设计，集成了多种功能，能有效减少系统组件数量、降低成本和复杂度。下面，我们就来详细了解一下这款芯片。

文件下载：drv8316c-q1.pdf

产品概述

基本信息

DRV8316C-Q1有DRV8316CR-Q1和DRV8316CT-Q1两个型号，均采用0.5-mm引脚间距的VQFN表面贴装封装，尺寸为7 mm × 5 mm。它集成了三个半桥MOSFET、栅极驱动器、电荷泵、电流感应放大器、线性稳压器和降压稳压器，适用于三相电机驱动应用。

主要特性

• 集成度高：将多种功能集成于一体，减少了外部组件的使用，降低了系统成本和复杂度。
• SPI接口与硬件接口可选：提供SPI接口和硬件接口两种配置方式，用户可以根据需求选择，具有较高的灵活性。
• 丰富的保护功能：具备电源欠压锁定（UVLO）、电荷泵欠压锁定（CPUV）、过流保护（OCP）、AVDD欠压锁定（AVDD_UV）、降压稳压器UVLO以及过热警告和关断（OTW和OTSD）等保护功能，提高了系统的可靠性。

功能模块详解

功能框图

DRV8316C-Q1的功能框图展示了其内部结构，包括预驱动器级、输入控制、电荷泵、线性稳压器、降压稳压器、电流感应放大器、保护电路等部分。各部分协同工作，实现电机的驱动和控制。

PWM控制模式

DRV8316C-Q1支持三种PWM控制模式：

• 6x PWM模式：每个半桥支持低、高或高阻抗（Hi-Z）三种输出状态。
• 3x PWM模式：INHx引脚控制每个半桥，支持低或高两种输出状态，INLx引脚用于将半桥置于Hi-Z状态。
• 电流限制模式：使用电流限制比较器进行电流限制，比较器输入由三个电流感应放大器的输出产生。

接口模式

SPI接口

SPI接口允许外部微控制器与DRV8316C-Q1进行数据通信，可配置设备设置并读取详细的故障信息。SPI接口使用SCLK、SDI、SDO和nSCS四个引脚，数据传输遵循特定的时序和格式要求。

硬件接口

硬件接口通过GAIN、SLEW、MODE和OCP四个电阻可配置输入引脚来配置关键设备设置，无需SPI总线，可通过nFAULT引脚获取一般故障信息。

降压调节器

DRV8316C-Q1集成了混合模式降压调节器，可提供3.3-V或5.0-V的稳压电源，也可配置为4.0-V或5.7-V以支持外部LDO。降压调节器具有低静态电流，采用脉冲频率电流模式控制方案，可提高线路和负载瞬态性能。

电荷泵

由于输出级使用N沟道FET，DRV8316C-Q1需要一个高于VM电源的栅极驱动电压来充分增强高端FET。芯片集成了电荷泵电路，通过两个外部电容器工作，当nSLEEP为低电平时，电荷泵关闭。

压摆率控制

通过调整半桥MOSFET的栅极驱动电流，实现压摆率控制。压摆率可通过SLEW引脚或SPI中的SLEW位进行调整，提供25-V/µs、50-V/µs、125-V/µs或200-V/µs四种设置。

交叉传导（死区时间）

DRV8316C-Q1通过插入死区时间（tdead）来避免MOSFET的交叉传导，通过检测高端和低端MOSFET的栅源电压来确保在切换时避免直通事件。

传播延迟

传播延迟时间（tpd）是指输入逻辑边沿到栅极驱动器电压变化之间的时间，包括数字输入去毛刺延迟、模拟驱动器和比较器延迟。SPI变体的DRV8316C-Q1支持驱动延迟补偿功能，可减少电流测量定时的不确定性和占空比失真。

寄存器映射

DRV8316C-Q1的寄存器分为状态寄存器和控制寄存器。状态寄存器用于反映设备的当前状态，如故障状态、SPI故障、过流保护状态等；控制寄存器用于配置设备的各种参数，如PWM模式、压摆率、过流保护模式等。

应用与实现

应用信息

DRV8316C-Q1可用于驱动无刷直流电机，设计时需要考虑电机电压、有源去磁、驱动传播延迟和死区时间、延迟补偿、降压调节器的使用以及电流传感和输出滤波等因素。

典型应用

三相无刷直流电机控制

在三相无刷直流电机控制应用中，需要根据电机的额定电压、电流、PWM频率等参数来配置DRV8316C-Q1。有源去磁功能可减少功率损耗，延迟补偿功能可提高输出PWM的时序匹配度。

三相无刷直流电机控制（带电流限制）

此应用中，可通过ILIM引脚设置逐周期电流限制，使用内部PWM脉冲监测电流。在100% PWM占空比输入时，可通过配置PWM_100_DUTY_SEL来设置内部PWM脉冲的频率。

有刷直流电机和螺线管负载

DRV8316C-Q1可配置为驱动有刷直流电机和螺线管负载，需要根据负载的额定电流等参数进行设计。

三个螺线管负载

同样可使用DRV8316C-Q1驱动三个螺线管负载，设计时需考虑负载的额定电流等因素。

电源供应建议

大容量电容

在电机驱动系统设计中，合适的本地大容量电容至关重要。其容量大小取决于电机系统的最高电流需求、电源的电容和电流能力、电源与电机系统之间的寄生电感、可接受的电压纹波、电机类型和制动方法等因素。

布局设计

布局指南

• 大容量电容应尽量靠近电机驱动设备，以减小高电流路径的距离，连接金属走线应尽量宽，并使用多个过孔连接PCB层，以减小电感。
• 小值电容（如电荷泵、AVDD和VREF电容）应使用陶瓷电容，并靠近设备引脚放置。
• 高电流设备输出应使用宽金属走线。
• 为减少大瞬态电流对小电流信号路径的噪声耦合和EMI干扰，应将PGND和AGND进行分区接地。
• 设备散热垫应焊接到PCB顶层接地平面，并使用多个过孔连接到底层大接地平面，以提高散热性能。
• 分离SW_BK和FB_BK走线，以减少降压开关对降压外部反馈环路的噪声耦合，尽量加宽FB_BK走线以实现更快的负载切换。

热考虑

DRV8316C-Q1具有热关断（TSD）功能，当芯片温度超过165°C（最小值）时，设备将被禁用，直到温度降至安全水平。设计时需要考虑功率损耗，包括待机功率损耗、LDO和降压功率损耗、FET传导和开关损耗以及二极管损耗等。

总结

DRV8316C-Q1是一款功能强大、集成度高的电机驱动芯片，具有多种控制模式和丰富的保护功能。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理配置芯片参数，优化布局设计，以确保系统的性能和可靠性。同时，要注意电源供应和散热等问题，以充分发挥芯片的优势。你在使用DRV8316C-Q1芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。