DRV835x：三相智能栅极驱动器的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，为三相无刷直流（BLDC）电机应用挑选合适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）推出的DRV835x系列栅极驱动器，看看它是如何在性能、功能和应用方面展现出强大优势的。

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一、DRV835x的核心特性

1. 宽电压范围与集成功能

DRV835x可在9至100V的电压范围内工作，集成了多种实用功能。它具备可选的降压调节器和三重低端电流分流放大器，为不同的应用场景提供了更多的选择。例如，在一些对电源效率要求较高的应用中，集成的降压调节器可以有效降低功耗；而电流分流放大器则能精确监测电流，为电机的稳定运行提供保障。

2. 智能栅极驱动架构

这是DRV835x的一大亮点。它支持可调的压摆率控制，能够有效降低电磁干扰（EMI）。通过(V_{GS})握手和最小死区时间插入功能，可防止直通现象的发生，提高系统的安全性。此外，它还能提供50mA至1A的峰值源电流和100mA至2A的峰值灌电流，确保能够驱动外部的N沟道功率MOSFET。

3. 集成电源与保护功能

在电源方面，DRV835x集成了高端倍压电荷泵和低端线性稳压器，为栅极驱动器提供稳定的电源。同时，它还具备多种保护功能，如VM欠压锁定（UVLO）、栅极驱动电源欠压（GDUV）、MOSFET (V_{DS})过流保护（OCP）等，能够有效保护器件和外部MOSFET，提高系统的可靠性。

二、应用领域广泛

DRV835x的应用领域十分广泛，涵盖了三相无刷直流（BLDC）电机模块、风扇、鼓风机、泵、电动自行车、电动滑板车、无人机、机器人以及工厂自动化和纺织机器等多个领域。在这些应用中，DRV835x能够充分发挥其优势，为电机的高效、稳定运行提供支持。

三、详细功能解析

1. 三相智能栅极驱动器

DRV835x集成了三个半桥栅极驱动器，可驱动高端和低端N沟道功率MOSFET。它提供了四种不同的PWM控制模式，包括6x、3x、1x和独立PWM模式，能够满足不同的换向和控制需求。在实际应用中，我们需要根据具体的电机类型和控制要求选择合适的PWM模式。例如，在一些对控制精度要求较高的应用中，6x PWM模式可能是更好的选择；而在一些对电路简化要求较高的应用中，1x PWM模式则可以减少控制器的输出引脚数量。

2. 设备接口模式

DRV835x支持SPI和硬件两种接口模式。SPI接口模式提供了更灵活的配置方式，允许外部控制器通过SPI总线发送和接收数据，实现对设备的详细配置和故障信息读取。硬件接口模式则更加简单，通过固定的外部电阻即可配置常用的设置，适合对成本和复杂度要求较低的应用。

3. 栅极驱动电源与输入电源配置

高端栅极驱动电源采用倍压电荷泵架构，可将VCP输出调节到(V_{VDRAIN }+10.5V)；低端栅极驱动电源则采用线性稳压器，将VGLS输出调节到14.5V，并进一步调节到11V。这种配置方式可以确保栅极驱动器在不同的电压条件下都能正常工作。在实际设计中，我们可以根据具体的应用需求选择单电源或双电源架构。例如，在一些对电源效率要求较高的应用中，双电源架构可以通过将VM连接到较低电压的电源来提高效率。

4. 智能栅极驱动架构

DRV835x的智能栅极驱动架构通过IDRIVE和TDRIVE两个组件实现对外部功率MOSFET的精确控制。IDRIVE可调节栅极驱动电流，控制MOSFET (V_{DS})的压摆率，从而优化辐射发射和开关损耗。TDRIVE则提供自动死区时间插入、寄生dV/dt栅极导通防止和栅极故障检测等功能，提高系统的可靠性。在实际应用中，我们需要根据外部MOSFET的参数和目标上升、下降时间来选择合适的IDRIVE和TDRIVE设置。例如，如果IDRIVE设置过低，可能会导致MOSFET无法在tDRIVE时间内完全导通，从而引发栅极驱动故障。

5. 低侧电流分流放大器

DRV8353和DRV8353R集成了三个双向电流分流放大器，可用于监测外部半桥的电流水平。这些放大器支持可编程增益、偏移校准、双向和单向支持以及电压参考引脚（VREF），为电流测量提供了更多的灵活性。在实际应用中，我们可以根据目标电流范围、VREF参考电压、分流电阻功率额定值和工作温度范围来选择合适的增益设置和分流电阻值。例如，在一些对电流测量精度要求较高的应用中，我们可以选择较高的增益设置；而在一些对功率损耗要求较低的应用中，我们可以选择较低的增益设置。

6. 降压调节器

DRV8350R和DRV8353R集成了一个350mA的降压调节器（LM5008A），可用于为外部控制器或其他逻辑电路供电。该调节器采用恒定导通时间（COT）控制方案，具有VCC欠压锁定（UVLO）、栅极驱动欠压锁定、最大占空比限制器、智能电流限制关断定时器、预充电开关和热关断等功能，为系统提供了全面的保护。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求选择合适的外部组件，如输入电容、输出电感和反馈电阻等，以确保降压调节器的稳定运行。

7. 栅极驱动器保护电路

DRV835x具备完善的保护电路，可防止VM欠压、电荷泵和低端稳压器欠压、MOSFET (V_{DS})过流、栅极驱动器短路和过温等事件的发生。当出现故障时，nFAULT引脚会被拉低，同时在SPI设备的寄存器中会记录相应的故障信息。在实际应用中，我们需要根据具体的应用场景选择合适的保护模式，如锁存关断、自动重试、仅报告或禁用等。例如，在一些对系统稳定性要求较高的应用中，我们可以选择锁存关断模式，以确保在故障发生时能够及时切断电源，保护设备安全。

四、编程与寄存器映射

对于DRV835x的SPI设备，我们可以通过SPI总线对其进行编程和配置。SPI输入数据字由16位组成，包括5位命令和11位数据；输出数据字由11位寄存器数据组成。寄存器映射包括状态寄存器和控制寄存器，可用于报告警告和故障条件以及配置设备的各种参数。在实际编程过程中，我们需要仔细阅读数据手册，了解每个寄存器的功能和使用方法，以确保正确配置设备。

五、应用与实现

1. 典型应用

文档中给出了DRV8353R在单电源和双电源模式下的典型应用示例。在单电源模式下，VM和VDRAIN连接到同一电源；在双电源模式下，VM可以连接到较低电压的电源，以降低内部功耗。在实际应用中，我们需要根据具体的应用需求选择合适的电源模式，并合理配置外部组件，如电容、电阻和电感等，以确保系统的稳定运行。

2. 设计要点

在设计过程中，我们需要考虑多个方面的因素。例如，外部MOSFET的支持能力需要根据MOSFET的栅极电荷、VCP电荷泵容量、VGLS调节器容量和输出PWM开关频率来确定；IDRIVE的配置需要根据外部MOSFET的栅极 - 漏极电荷和目标上升、下降时间来选择；(V{DS})过流监视器的配置需要根据最坏情况下的电机电流和外部MOSFET的(R{DS(on)})来确定。此外，还需要注意散热设计，确保设备在正常工作时不会超过其热额定值。在实际设计中，我们可以通过仿真和实验来验证设计的合理性，并根据实际情况进行调整和优化。

六、电源供应与布局建议

1. 电源供应

DRV835x可在9至75V的输入电压范围内工作，需要在VM引脚附近放置一个0.1µF的陶瓷电容，并根据应用需求添加适当的大容量电容。在实际应用中，我们需要选择合适的电源，确保其能够提供足够的电流和稳定的电压。同时，还需要注意电源的滤波和去耦，以减少电源噪声对设备的影响。

2. 布局建议

合理的布局对于提高设备的性能和可靠性至关重要。建议在VM引脚和GND引脚之间使用低ESR陶瓷旁路电容，并将其尽可能靠近设备；在CPL和CPH引脚之间放置一个47nF的陶瓷电容；在VCP和VDRAIN引脚以及VGLS和GND引脚之间放置一个1µF的陶瓷电容。此外，还需要注意布线的长度和宽度，尽量减少电感和电阻，以提高信号的传输质量。在实际布局过程中，我们可以参考数据手册中的布局指南，并结合实际情况进行优化。

七、总结

DRV835x系列栅极驱动器以其丰富的功能、广泛的应用领域和出色的性能，为三相BLDC电机应用提供了一个优秀的解决方案。作为电子工程师，在设计电机驱动系统时，我们可以充分利用DRV835x的特性，优化系统的性能和可靠性。希望通过本文的介绍，能让大家对DRV835x有更深入的了解，在实际应用中发挥其最大的优势。你在使用类似的栅极驱动器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。