DRV835x：高性能三相无刷直流电机驱动的理想之选

在电子工程师的日常工作中，电机驱动设计一直是一个关键且具有挑战性的领域。今天，我们要深入探讨德州仪器（TI）的 DRV835x 系列器件，这是一款专为三相无刷直流（BLDC）电机应用设计的高度集成栅极驱动器，它在减少系统组件数量、降低成本和复杂度方面表现出色。

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1. 器件概述

DRV835x 系列器件集成了三个独立的半桥栅极驱动器、电荷泵和线性稳压器，为高低侧栅极驱动器提供电源。此外，部分器件还集成了三个电流分流放大器和一个 350 - mA 的降压调节器。该系列器件支持标准的串行外设接口（SPI）和硬件接口（H/W）两种配置方式，方便工程师根据不同的应用需求进行选择。

2. 关键特性剖析

2.1 智能栅极驱动架构

DRV835x 采用智能栅极驱动架构，具有诸多优势。它可以动态调整输出栅极驱动电流强度，从而控制功率 MOSFET 的 (V_{DS}) 开关速度，减少了外部栅极驱动电阻和二极管的使用，降低了物料清单（BOM）成本和 PCB 面积。同时，该架构还能保护外部 MOSFET 免受栅极驱动短路事件、dV/dt 寄生导通等问题的影响。

2.2 集成电源供应

• 高侧电荷泵：采用倍增器电荷泵架构，可将 VCP 输出调节至 (V_{VDRAIN }+10.5 - V)，支持 100% 的 PWM 占空比控制。
• 低侧线性稳压器：从 VM 电源生成低侧栅极驱动电源电压，将 VGLS 输出调节至 14.5 - V，并在 GLx 低侧栅极驱动器输出进一步调节至 11 - V。

  2.3 多种 PWM 控制模式

  DRV835x 提供 6x、3x、1x 和独立 PWM 四种控制模式，以支持不同的换向和控制方法。在实际应用中，我们需要根据具体的电机控制需求选择合适的模式。例如，在简单的有传感器梯形控制中，1x PWM 模式可以通过内部存储的 6 步块换向表，使用单个 PWM 信号控制三相 BLDC 电机。

  2.4 丰富的保护功能

  该系列器件具备全面的保护功能，包括 VM 欠压锁定（UVLO）、栅极驱动电源欠压（GDUV）、MOSFET (V_{DS}) 过流保护（OCP）、MOSFET 直通预防、栅极驱动器故障（GDF）、热警告和关断（OTW/OTSD）等。这些保护功能可以有效提高系统的可靠性和稳定性。

3. 应用场景

DRV835x 系列器件的应用场景非常广泛，涵盖了多个领域：

• 工业自动化：如工厂自动化和纺织机器，可实现高效、精确的电机控制。
• 电动交通工具：像电动自行车、电动滑板车和电动移动设备，为其提供可靠的动力驱动。
• 消费电子：包括风扇、鼓风机和泵等设备，能够满足其对电机驱动的需求。
• 无人机和机器人：在无人机、机器人和遥控玩具中，可实现灵活、稳定的运动控制。

4. 设计要点

4.1 外部 MOSFET 选择

在选择外部 MOSFET 时，需要考虑 MOSFET 的栅极电荷、VCP 电荷泵容量、VGLS 稳压器容量和输出 PWM 开关频率等因素。可以使用公式 (VCP/VGLS > Q{g} × f{PWM }) 快速计算 MOSFET 的驱动能力。例如，当 (V{VM}=48 ~V) 且最大 PWM 开关频率为 45 kHz 时，VCP 电荷泵和 VGLS 稳压器可以支持梯形换向时 (Q{g}<556) nC 的 MOSFET，以及正弦换向时 (Q_{g}<185) nC 的 MOSFET。

4.2 IDRIVE 配置

栅极驱动电流强度 IDRIVE 的选择应基于外部 MOSFET 的栅 - 漏电荷和目标上升/下降时间。如果 IDRIVE 选择过低，MOSFET 可能无法在 tDRIVE 时间内完全导通，从而导致栅极驱动故障。建议在实际系统中根据所需的外部 MOSFET 和电机调整这些值，以确定最佳设置。

4.3 (V_{DS}) 过流监测配置

(V{DS}) 监测器的配置应基于最坏情况下的电机电流和外部 MOSFET 的 (R{DS(on)}) 值。计算公式为 (V{DS_OCP }> I{max } × R{DS(on) max })。例如，若要使 (V{DS}) 监测器在电流大于 75 A 时触发，根据 CSD19535KCS MOSFET 的数据手册，在 (T{A}=25^{circ} C) 时 (R{DS(on)}) 最大值为 3.6 mΩ，在 175°C 时为 2.2 倍，即 7.92 mΩ。则 (V_{DS_OCP }> 75 A × 7.92 mΩ = 0.594 V)。

4.4 电源供应设计

DRV835x 器件设计用于在 9 V 至 75 V 的输入电压供应（VM）范围内工作。在 VM 引脚附近应放置一个 0.1 - µF 的陶瓷电容，并根据应用需求添加适当的大容量电容，以满足外部半桥 MOSFET 的旁路需求。

5. 布局建议

合理的 PCB 布局对于 DRV835x 器件的性能至关重要。以下是一些布局要点：

• 旁路电容：在 VM 引脚附近放置一个 0.1 - µF 的陶瓷电容，并使用一个大容量电容对 VM 引脚进行旁路。同时，在 CPL 和 CPH 引脚之间放置一个 47 - nF 的陶瓷电容，在 VCP 和 VDRAIN 引脚、VGLS 和 GND 引脚之间放置 1 - µF 的陶瓷电容。
• 信号走线：尽量缩短高侧和低侧栅极驱动器的环路长度，减少信号干扰。VDRAIN 引脚应直接连接到外部 MOSFET 的漏极公共点，SLx 引脚应使用专用走线连接到低侧外部 MOSFET 的源极，以实现更准确的 (V_{DS}) 感应。
• 降压调节器布局：将反馈网络电阻靠近 FB 引脚，输入旁路电容靠近 VIN 引脚，电感靠近 SW 引脚，输出电容靠近电感和二极管的节点，以减少噪声干扰，提高电源转换效率。

6. 总结

DRV835x 系列器件以其高度集成的特性、丰富的功能和灵活的配置方式，为三相 BLDC 电机应用提供了一个强大而可靠的解决方案。无论是在工业自动化、电动交通工具还是消费电子等领域，DRV835x 都能帮助电子工程师实现高效、稳定的电机驱动设计。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理选择外部组件，优化 PCB 布局，以充分发挥该器件的性能优势。希望通过本文的介绍，能为广大电子工程师在电机驱动设计方面提供一些有价值的参考。你在使用 DRV835x 过程中遇到过哪些问题？或者你对它的哪些特性最感兴趣呢？欢迎在评论区留言讨论。