深入剖析DRV10974：低噪声三相无传感器电机驱动的得力之选

在电子工程师的日常设计工作中，电机驱动是一个常见且关键的领域。今天，我们就来深入探讨一款性能出色的三相无传感器电机驱动器——德州仪器（TI）的DRV10974。

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一、产品概述

DRV10974是一款集成了功率MOSFET的三相无传感器电机驱动器，能够提供高达1A连续（rms）的驱动电流。它专为低噪声、外部元件数量少的12V电机驱动应用而设计，适用于各种需要低噪声运行的场景，如家电风扇、泵和鼓风机等。

该驱动器采用180°无传感器控制方案，为电机相位提供正弦输出电压，只需通过外部电阻设置峰值电流、超前角和加速曲线，无需额外配置，大大简化了设计过程。

二、产品特性

（一）引脚配置与功能

DRV10974有两种封装形式：PWP PowerPAD™ Package 16 - Pin HTSSOP和RUM Package 16 - Pin WQFN。其引脚功能丰富且实用，以下是一些关键引脚的介绍：

• ADV引脚：通过1/8 - W电阻选择应用的超前角，引脚悬空时为最长超前角，超前角在电源上电时由ADV引脚电压决定。
• CS引脚：通过1/8 - W电阻选择电流限制，引脚悬空时为最高电流限制，电流限制在电源上电时由CS引脚电压决定。
• FG引脚：提供电机速度反馈，为开漏输出，内部上拉至V3P3，若上拉电压高于V3P3，需外接上拉电阻限制电流。
• FR引脚：用于控制电机的旋转方向，FR = 0时，电机按U→V→W方向旋转；FR = 1时，电机按U→W→V方向旋转，其值在退出低功耗模式时由FR引脚状态决定，内部有下拉电阻。
• PWM引脚：作为电机速度控制输入，可自动检测模拟或数字模式，内部上拉至2.2V。

（二）电气特性

1. 电源电流：在TA = 25°C、VCC = 12V且无电机负载的情况下，ICC为5 - 7mA；在低功耗模式下，ICC(LP)为380µA。
2. 欠压锁定（UVLO）：VCC的UVLO下降阈值V(UVLO_F)为4.2 - 4.4V，上升阈值V(UVLO_R)为4.5 - 4.85V，滞回电压Vhys(UVLO)为400mV。
3. 电荷泵UVLO：VVCP(UVLO_F)为3.35 - 4.05V，VVCP(UVLO_R)为3.65 - 4.37V，滞回电压Vhys(VCP)为330mV。
4. V1P8 UVLO：V(V1P8_F)为1.25 - 1.55V，V(V1P8_R)为1.35 - 1.65V，滞回电压Vhys(V1P8)为100mV。
5. 电压调节器：V1P8电压VV1P8在TA = 25°C、C(V1P8) = 1μF时为1.7 - 1.9V，最大外部负载电流IV1P8为3mA。
6. 集成MOSFET：高端FET导通电阻rds(on)_HS和低端FET导通电阻rds(on)_LS在TA = 25°C、VCC = 12V、IO = 100mA时均为0.375 - 0.425Ω。

（三）典型特性

从典型特性曲线中，我们可以直观地看到一些关键参数的变化趋势。例如，电源电流与电源电压的关系曲线显示，随着电源电压的升高，电源电流也会相应增加；而rDS(on)与温度的关系曲线则表明，当VCC = 12V时，随着温度的升高，rDS(on)会逐渐增大。这些特性对于我们在实际设计中合理选择电源和评估器件的性能非常有帮助。

三、功能详细描述

（一）速度输入与控制

DRV10974的PWM输入用于控制电机的速度，PWM输入的占空比决定了施加到电机上的电压大小，从而间接控制电机的速度。PWM引脚可以接受数字占空比或模拟电压输入。 当PWM引脚输入数字信号时，占空比通过低通滤波器在120ms内从0%线性增加到100%，控制分辨率约为0.2%。当PWM占空比大于15%时，输出峰值幅度由公式(V{ph{pk}} = PWM{dc} × V{CC})决定；当PWM占空比低于15%但高于1.5%时，输出由最小操作占空比控制。如果电源电压VVCC > 14V，最大PWMdc限制为14V / VVCC。 当PWM引脚输入模拟电压时，输出峰值幅度取决于电源电压、PWM引脚的模拟电压VANA和V1P8的电压VV1P8，计算公式为(V{ph{pk}}=frac{V{ANA}}{V{1P8}}×V_{CC})。

（二）电机方向改变

通过设置FR引脚的逻辑状态，可以轻松控制电机的旋转方向。FR = 0时，电机按U→V→W方向旋转；FR = 1时，电机按U→W→V方向旋转。

（三）电机频率反馈（FG）

FG引脚在电机运行过程中提供电机速度反馈。在一个电周期内，FG引脚会翻转一次，通过公式(RPM=frac{f_{(FG)} × 60}{pole_pairs})可以计算出电机的机械速度。在开环加速过程中，FG引脚指示驱动电机的信号频率；在电机减速过程中，FG引脚继续提供速度反馈，直到电机速度低于10Hz，此时器件进入低功耗模式，FG输出保持高电平。

（四）锁定检测

DRV10974具备全面的锁定检测功能，包括六种不同的锁定检测方案，能够有效检测电机因外部条件导致的锁定情况，并采取保护措施。当检测到锁定时，器件会停止电机驱动，经过一段时间后尝试重新启动电机。

1. Lock Kt Measure：在从开环加速过渡到闭环加速时，测量电机的实际Kt值，如果未达到200mV，则触发锁定。
2. Lock No Motor：在对齐状态结束时检查相U电流，如果小于50mA，则认为电机未连接，触发锁定。
3. Lock Open Loop Abnormal：在开环加速过程中，如果电换相速率超过200Hz但未达到切换阈值，则触发锁定。
4. Lock BEMF Abnormal：监测电机半电周期内的反电动势（BEMF）积分值，根据初始测量确定可接受的Kt值范围，在闭环运行时持续更新Ktc值，若Ktc值超出范围，则触发锁定。
5. Lock Closed Loop Abnormal：在闭环模式下，如果闭环换相周期小于前一个换相周期的一半，则触发锁定。
6. Lock Speed Abnormal：如果计算得到的电机BEMF值在一个电周期内比施加在相U上的电压高1.5倍，则触发锁定。

（五）软电流限制

软电流限制功能通过测量电机电阻Rm和电机速度常数Kt，限制施加到相U上的电压，从而防止电流超过限制值I(LIMIT)。该功能仅在正常闭环模式下有效，不会导致故障或停止电机运行，通常用于限制电机加速过程中因重载导致的电流过大。I(LIMIT)电流通过外部电阻R(CS)配置。

（六）短路电流保护

当任何电机相的电流超过短路保护限制I(OC_LIMIT)时，短路电流保护功能会将电机相置于高阻抗状态，停止对电机的驱动。经过初始化序列后，器件会尝试重新启动电机，以保护器件和电机免受短路故障的影响。

（七）过温保护

DRV10974具有热关断功能，当器件结温超过TSD温度时，会禁用电机操作；当结温低于TSD - TSD(hys)时，电机操作恢复。

（八）欠压保护

欠压锁定功能可防止在电源电压VCC过低时电机运行。上电时，当VCC高于V(UVLO_F) + Vhys(UVLO)时，器件开始工作；当VCC低于V(UVLO_F)时，器件停止工作。

四、设备功能模式

（一）启动设置

1. 电机启动：电机启动过程包括初始速度检测、对齐、测量电机电阻、开环加速、滑行/测量Kt和闭环加速/运行等步骤。在启动前，需要确保电机处于静止状态，通过PWM信号触发启动。
2. 初始速度检测：每次退出低功耗模式时，器件会通过检测FG引脚的频率来判断电机是否旋转。如果频率小于10Hz，则认为电机静止；如果频率大于10Hz，则将电机减速至10Hz以下或经过5秒超时。
3. 对齐：为了使转子与换相逻辑对齐，器件向相U施加与闭环运行电流相等的电流，同时驱动相V和相W，持续时间最长为0.67s。为避免电流突变产生不良声学效果，施加到电机上的电压会逐渐变化，使电流变化率为12A/s。

（二）开环加速

电机确认静止并完成初始化后，器件开始开环加速。通过在过渡到闭环操作之前使用外部电阻设置加速曲线，可以配置电机的启动特性。开环加速的目的是将电机驱动到最小速度，使电机产生足够的BEMF，以便换相控制逻辑能够准确驱动电机。

（三）启动电流检测

启动峰值电流由电流检测限制电阻R(CS)控制。根据应用需求选择合适的R(CS)电阻，以确保电机能够可靠加速到切换阈值。较重的负载可能需要更高的电流设置，但加速速率受RMP引脚连接的电阻限制。

（四）闭环控制

当电机加速到目标BEMF阈值时，换相控制从开环模式切换到闭环模式。在切换过程中，电机允许滑行一个电周期以测量Kt。闭环加速和减速值由内部控制算法和PWM输入的占空比决定。

（五）控制超前角

为了实现最佳效率，需要控制电机的驱动状态，使电流与电机的BEMF电压对齐。DRV10974通过ADV引脚连接的电阻提供多种固定超前时间选项，用户可以根据实际需求进行选择。

五、应用与实现

（一）应用信息

DRV10974适用于无传感器三相无刷直流（BLDC）电机控制，为家电风扇、泵和鼓风机等应用提供高性能、高可靠性、灵活且简单的解决方案。

（二）典型应用

典型应用电路中，需要根据推荐选择合适的外部组件，如在VCC和GND之间连接10 - μF、25 - V的陶瓷电容，在VCP和VCC之间连接100 - nF、10 - V的陶瓷电容，在V1P8和GND之间连接1 - μF ±30%、6.3 - V的陶瓷电容等。同时，通过外部电阻连接到RMP、CS和ADV引脚来设置加速曲线、电流限制和超前角。

（三）设计要求与详细设计步骤

在设计过程中，需要考虑电机的一些关键参数，如电机电压、BEMF常数、电机相电阻等。根据这些参数和应用需求，选择合适的外部电阻来配置DRV10974的各项功能。通常，CS引脚的电阻根据应用规格确定，而RMP和ADV引脚的电阻需要通过实验进行调整。一般先将RMP引脚设置为最慢的加速曲线，同时调整ADV引脚的电阻，使电机运行效率最佳，然后再根据需要调整RMP引脚的电阻，以实现更快的加速而不影响启动可靠性。

六、电源供应建议

DRV10974的输入电源电压范围为4.4V至18V。为了确保器件的稳定运行，需要在VCC和GND引脚之间尽可能靠近器件的位置连接一个至少10 - μF的电容。如果电源纹波超过200mV，则需要根据应用需求增加一个大容量电容。

七、布局建议

合理的布局对于DRV10974的性能至关重要。在布局时，应遵循以下原则：

1. 使用较粗的走线连接VCC、GND、U、V和W引脚，以降低电阻和电感，减少信号干扰。
2. 将10 - μF的电容尽可能靠近VCC和GND引脚放置，将100 - nF的电容尽可能靠近VCP和VCC引脚放置，以提供良好的去耦效果。
3. 将GND和PGND连接在散热焊盘下方，确保散热良好。
4. 保持散热焊盘的连接面积尽可能大，应为一块完整的铜箔，避免出现间隙。

八、总结

DRV10974是一款功能强大、设计灵活的三相无传感器电机驱动器，具有低噪声、外部元件数量少等优点。通过合理配置外部电阻和遵循布局原则，我们可以充分发挥其性能，为各种电机驱动应用提供可靠的解决方案。在实际设计过程中，我们还需要根据具体的应用需求进行详细的测试和优化，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文对大家了解和使用DRV10974有所帮助，如果你在使用过程中遇到任何问题，欢迎在评论区留言讨论。