DRV10964：高效低噪的三相无传感器BLDC电机驱动器

在电机驱动领域，高效、低噪且集成度高的驱动器一直是工程师们追求的目标。今天，我们就来详细探讨德州仪器（TI）推出的DRV10964，一款专为高性能电机驱动应用设计的三相无传感器电机驱动器。

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一、产品概述

DRV10964是一款集成了功率MOSFET的三相无传感器电机驱动器，专为高效率、低噪音和低外部元件数量的电机驱动应用而设计。其采用专有的无传感器无窗口180°正弦控制方案，能有效减少电感应转矩脉动，实现超静音电机运行。

主要特性

• 宽输入电压范围：2.1至5.5 V，能适应多种电源环境。
• 大输出电流：具备500 - mA输出电流能力，可驱动多种类型的电机。
• 低静态电流：睡眠模式下典型静态电流仅15 µA，有助于降低功耗。
• 低导通电阻：总驱动器H + L Rdson小于1.5 Ω，减少功率损耗。
• 多重保护功能：包含电流限制、短路电流保护、锁定检测、抗电压浪涌（AVS）、欠压锁定（UVLO）和热关断等功能，确保系统安全可靠运行。

应用领域

该驱动器适用于多种散热风扇应用，如笔记本CPU风扇、游戏站CPU风扇和ASIC冷却风扇等。

二、产品详细参数

绝对最大额定值

• 结温范围：–40至150 °C。
• 最大引脚焊接温度（10秒）：260 °C。
• 存储温度范围：–55至150 °C。

ESD额定值

• 人体模型（HBM）：±2500 V。
• 充电设备模型（CDM）：±1000 V。

推荐工作条件

• 结温范围：–40至125 °C。
• 结到外壳（底部）热阻：2.9 °C/W。

电气特性

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
工作电流（IVCC）	PWM = VCC，无电机连接		6.5		mA
睡眠电流（IVCC_SLEEP）	PWM = 0 V		15	20	µA
欠压阈值高（VUVLO_H）			2	2.1	V
欠压阈值低（VUVLO_L）		1.7	1.8		V
欠压阈值迟滞（VUVLO_HYS）		100	200	300	mV
集成MOSFET串联电阻（RD SON）	VCC = 5 V；IOUT = 0.5 A		1	1.5	Ω
PWM输入高阈值（VIH_PWM）		0.45 × VCC			V
PWM输入低阈值（VIL_PWM）			0.15 × VCC		V
PWM输入频率（FPWM）	占空比>0%且<100%	15		100	kHz

三、功能特性详解

睡眠模式

当PWM命令占空比输入低于0.38%但不为0%时，相位输出将进入高阻抗状态，驱动器停止驱动电机，但逻辑仍保持活跃，电流消耗为IVCC。当PWM命令占空比输入为0%（且持续时间至少为tSLEEP）时，驱动器进入低功耗睡眠模式，大部分电路将被禁用，以最小化系统电流，此时电流消耗为IVCC_SLEEP。当PWM命令占空比输入变为逻辑高或PWM输入引脚浮空时，驱动器将从睡眠模式恢复。

速度输入和控制

DRV10964提供三相25 - kHz PWM输出，其平均电压为正弦波。输出幅度由电源电压（VCC）和PWM占空比决定，公式为Vph_pk = PWMdc × VCC。电机速度通过PWM命令间接控制施加到电机的相电压幅度来实现。

电机方向改变

通过设置FR（正反转）引脚的逻辑电平为1或0，可轻松配置驱动器驱动电机的方向。FR = 0时，电机方向为U -> V -> W；FR = 1时，电机方向为U -> W -> V。

电机频率反馈（FG）

在驱动器运行期间，FG引脚提供电机速度指示。电机速度计算公式根据FGS引脚状态而定：若FGS = 0，RPM = (FREQFG × 60) / 极对数；若FGS = 1，RPM = (FREQFG × 60 × 3) / 极对数。FG引脚还具备短路保护功能。

锁定检测

当电机因外部因素锁定时，DRV10964能检测到锁定状况，并采取措施保护电机和驱动器。它具有5种不同的锁定检测方案，包括无电机检测、频率溢出检测、反电动势异常检测、加速异常检测和速度异常检测。

短路电流保护

当任何电机相电流超过短路保护限制ISHT时，短路电流保护功能将电机相置于高阻抗状态，关闭电机驱动。在短路条件消除后，驱动器将重新初始化并尝试重启电机。

抗电压浪涌（AVS）

该功能可防止电机中的电感能量或角动量（机械能）返回电源，保护驱动器和其他连接到电源的组件。它分为保护机械能返回和保护电感能量返回两种情况。

过温保护

当器件结温超过TSD时，热关断功能将禁用电机操作；当结温低于TSD - TSD_HYS时，电机操作将恢复。

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。上电后，当VCC高于VUVLO_H时，驱动器开始工作；当VCC低于VUVLO_L时，驱动器停止工作。

CONFIG配置

CONFIG引脚可通过连接VCC和GND之间的电阻分压器来选择开环到闭环的阈值。

四、设备功能模式

启动设置

• 电机Kt和Rm测量：在电机初始启动期间测量电机的转矩常数和电阻，用于控制电机时序。
• 电机启动：按照特定程序启动电机，包括初始速度检测、对齐、开环加速和闭环控制等阶段。
• 初始速度检测（ISD）：通过相比较器检测电机反电动势电压的过零情况，确定电机的初始状态。
• 对齐：通过在V和W相施加50%占空比，同时将U相接地，使转子与换向逻辑对齐。
• 切换和闭环控制：当电机加速到由CONFIG引脚电压定义的速度时，换向控制从开环模式过渡到闭环模式。

五、应用与实现

典型应用

DRV10964常用于无传感器三相BLDC电机控制，为计算机风扇应用提供高性能、高可靠性、灵活且简单的解决方案。典型应用电路包括VCC、PWM、FG、CONFIG、FGS、FR等引脚的连接。

设计要求

DRV10964能够驱动的电机具有一定的特性范围，如电机相电阻Rm为2.5 - 10 Ω，相电感Lm为50 - 1000 μH，反电动势常数Kt为1 - 100 mV/Hz，最大电气频率fFG_max为1300 Hz。但这并不意味着超出这些范围的电机不能被驱动。

详细设计步骤

1. 确保系统满足推荐应用范围。
2. 参考DRV10964调谐指南，测量电机参数。
3. 使用DRV10964 GUI配置参数，优化电机运行。
4. 根据布局指南构建硬件。
5. 将设备连接到系统并验证系统解决方案。

六、电源与布局建议

电源建议

DRV10964设计用于2.1至5.5 V的输入电压供应，用户应在VCC和GND引脚附近尽可能靠近地放置一个2.2 - μF的陶瓷电容。

布局指南

该器件采用外露焊盘散热，为确保正常工作，需将焊盘与PCB上的铜层进行热连接。在多层PCB上，可通过添加过孔将热焊盘连接到接地层；在无内部平面的PCB上，可在PCB两侧添加铜面积散热。

七、总结

DRV10964凭借其丰富的功能特性、良好的电气性能和灵活的应用模式，为电机驱动应用提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，工程师们可以根据具体需求，合理配置参数，优化电路布局，以实现高效、可靠的电机驱动系统。大家在使用DRV10964的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。