DRV10975：三相无传感器BLDC电机驱动的理想之选

在电机驱动领域，找到一款性能卓越、功能丰富且适配多种应用场景的驱动芯片是工程师们一直追求的目标。德州仪器（TI）的DRV10975和DRV10975Z就是这样的优质产品，它们为三相无传感器BLDC电机驱动带来了出色的解决方案。今天，我们就来深入了解一下DRV10975的各项特性、功能以及应用设计要点。

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一、产品概述

DRV10975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1.5A的连续驱动电流。它专为对成本敏感、低噪声、外部元件数量少的应用而设计，适用于12V电机驱动场景。该芯片具有多种灵活的用户接口选项，可通过简单的I2C接口进行配置，以适应不同客户应用的电机参数和启动曲线。

二、产品特性剖析

2.1 电气特性优势

• 宽输入电压范围：输入电压范围为6.5V至18V，能适应多种不同的电源环境，为设计提供了更大的灵活性。
• 低导通电阻：总驱动（H + L） (r_{DS(on)}) 仅为250mΩ，有效降低了功率损耗，提高了系统效率。
• 高驱动电流能力：可提供1.5A的连续绕组电流（2A峰值），满足大多数电机的驱动需求。

2.2 控制方案亮点

• 无传感器BEMF控制：采用专有的无传感器反电动势（BEMF）控制方案，实现连续正弦波180°换向，无需外部感应电阻，大大减少了外部元件数量，降低了成本。不过，如果需要监测电机功率，用户也可以选择添加外部感应电阻。
• 灵活的用户接口：支持多种用户接口选项，包括I2C接口，可用于访问寄存器进行命令和反馈；专用的SPEED引脚，可接受模拟或PWM输入；专用的FG引脚，提供转速反馈；通过EEPROM可自定义启动曲线；通过DIR引脚实现正反转控制。

2.3 集成式稳压方案

集成了降压稳压器，可高效地为内部和外部电路提供5V或3.3V电压。不同版本的芯片在功耗上有所差异，DRV10975待机版本的电源电流为4.5mA，而DRV10975Z睡眠版本的电源电流仅为80µA，能有效降低功耗。

2.4 多重保护机制

具备过流保护、锁定检测、电压浪涌保护、欠压锁定（UVLO）保护和热关断保护等多种保护机制，确保了芯片在各种复杂工况下的可靠运行。

2.5 散热优化封装

采用热增强型24引脚HTSSOP封装，有助于更好地散热，保证芯片在高温环境下的稳定性。

三、功能模块详解

3.1 调节器

• 降压调节器：DRV10975包含一个滞回降压电压调节器，可工作在开关降压模式（使用外部电感）或线性调节模式（使用外部电阻）。在降压模式下能实现最佳效率，但DRV10975Z睡眠模式版本仅支持线性调节模式，并需配合齐纳二极管使用。调节器输出电压可通过寄存器位VregSel进行配置，推荐将其设置为5V以获得更清洁、低谐波的相电流。
• 3.3V和1.8V LDO：还集成了3.3V LDO和1.8V LDO。3.3V LDO由Vreg供电，主要为内部电路供电，也可驱动不超过 (I_{V3P3_MAX}) 的外部负载；1.8V LDO由3.3V LDO供电，仅用于内部电路。

3.2 保护电路

• 热关断：当结温超过 (T{SDN}) °C时，芯片会自动关闭，当结温降至 (T{SDN}-T_{SDN_HYS}) °C时恢复工作。在热关断期间，OverTemp状态位（地址0x10位7）会被置位。
• 欠压锁定（UVLO）：内置的UVLO功能块具有一定的滞后性，当VCC降至 (V_{UVLOF}) 时，芯片被锁定，当VCC上升到 (V{UVLO_R}) 时唤醒。
• 过流保护（OCP）：当检测到FET电流超过 (I_{OC_limit}) 阈值时，过流保护功能会将输出驱动器置于高阻抗状态，直到过流情况消失。此时，OverCurr状态位（地址0x10位5）会被置位。
• 锁定保护：当电机被外部力阻塞或停止时，锁定保护触发，芯片立即停止驱动电机。经过锁定释放时间 (t_{LOCK_OFF}) 后，芯片会尝试重新驱动电机。在锁定期间，MtrLck状态位（地址0x10，位4）会被置位。

3.3 电机速度控制

DRV10975提供了四种间接控制电机速度的方法，通过调整输出电压幅值来实现。用户可以通过改变电源电压 (V_{CC}) 或控制速度命令来调节电机速度。速度命令可以通过PWM输入（SPEED引脚配置为PWM模式）、模拟输入（SPEED引脚配置为模拟模式）或直接通过I2C串口写入SpdCtrl[8:0]来设置。

3.4 睡眠或待机状态

芯片有睡眠模式和待机模式两种版本。进入睡眠或待机状态时，电机停止驱动以节省能量。睡眠模式下，降压调节器被禁用，I2C接口也被禁用，未存储在EEPROM中的寄存器数据会被重置；待机模式下，降压调节器保持活跃，寄存器数据得以保留，I2C接口仍然可用。设置sleepDis = 1可防止芯片进入睡眠或待机状态，但如果芯片已经处于该状态，设置此位无效。

3.5 非易失性存储器

DRV10975拥有96位的EEPROM数据，用于编程电机参数。编程EEPROM时，建议在电机不旋转的状态下进行，编程完成后进行电源循环，并读回EEPROM数据以验证编程是否成功。

四、设备功能模式

4.1 电机参数配置

电机相电阻和BEMF常数（Kt）是表征BLDC电机的两个重要参数，需要在寄存器中进行配置。对于星形连接的电机，电机相电阻是指相输出到中心抽头的电阻；对于三角形连接的电机，需要将其等效为星形连接来计算相电阻。这些电阻值需要转换为7位数字寄存器值进行编程。

4.2 不同初始条件下的电机启动

电机在启动时可能处于静止、正转或反转三种状态。DRV10975针对不同状态提供了相应的启动方案：

• 电机静止：可通过初始位置检测（IPD）或Align and Go技术来初始化换向逻辑，使其与电机位置同步。
• 电机正转：如果电机以足够的速度正转，可配置芯片直接进入闭环控制，以实现最快的启动时间。
• 电机反转：可通过反向驱动使电机加速通过零速度，也可以选择等待电机停止或制动电机，然后按照静止电机的启动顺序重新启动。

4.3 电机启动序列

电机启动序列包括多个判断和状态转换过程，如初始速度检测（ISD）判断、正反转判断、反向驱动判断、制动判断、IPD判断等，最终使电机进入闭环运行状态。在启动过程中，如果DIR引脚状态发生改变，芯片会停止驱动电机并重新开始启动序列。

4.4 启动电流设置

启动电流设置用于控制开环期间的峰值启动电流，通过编程OpenLCurr[1:0]位来设置。同时，为了避免电流突变引起的声学噪声，芯片还提供了启动电流斜坡上升功能，可通过OpLCurrRt[2:0]设置最大电压斜坡上升速率。

4.5 闭环控制

在闭环运行中，DRV10975不断采样电机U相电流，以此估算BEMF电压，并根据估算结果控制电机的驱动状态。闭环控制具有半周期控制和全周期控制两种模式，用户可根据应用需求进行选择。此外，芯片还提供了模拟模式、数字PWM输入模式和I2C模式三种速度控制方式，以及闭环加速功能和控制系数调整功能，以优化控制性能。

4.6 电流限制

DRV10975具有多种电流限制模式，包括加速电流限制、锁定检测电流限制和过流保护，以确保电机的最佳控制和安全运行。

4.7 锁定检测和故障处理

芯片提供了五种锁定检测方案，可快速、可靠地检测电机是否锁定。当检测到锁定或无电机连接情况时，芯片会将输出驱动器置于高阻抗状态，并采取抗电压浪涌（AVS）措施。经过锁定释放时间 (t_{LOCK_OFF}) 后，系统会尝试重新启动。

4.8 AVS功能

AVS功能用于防止电机的机械能或电感性能量返回电源，导致 (V_{CC}) 电压升高。它包括机械AVS功能和电感AVS功能，可通过寄存器配置位独立禁用。

4.9 PWM输出

DRV10975提供16种PWM死区时间选项，可配置为40ns至640ns，以防止桥接FET直通。同时，芯片还提供25kHz和50kHz两种PWM开关频率选项，建议在50kHz PWM开关频率下估算Kt有30%左右误差时，选择25kHz的开关频率。

4.10 FG自定义配置

FG引脚可提供电机速度和驱动状态信息，其输出频率可通过FGcycle[1:0]进行配置。在开环和锁定状态下，FG输出有三种控制选项，可根据FGOLsel[1:0]的设置进行选择。

4.11 诊断和可见性

DRV10975通过I2C接口提供了对电机系统运行状态的广泛可见性，用户可以监测设备状态、电机速度、电源电压、速度命令、电机相电压幅值、故障状态等信息。

五、应用与实现

5.1 应用信息

DRV10975适用于无传感器三相BLDC电机控制，为家电风扇、泵和HVAC等应用提供了高性能、高可靠性、灵活且简单的解决方案。对于DRV10975Z睡眠模式设备，需要在10µF (V_{REG}) 电容器旁并联一个齐纳二极管。在连接时，应按照特定顺序进行，以避免热插拔和浮地问题。

5.2 典型应用

5.2.1 设计要求

在设计系统时，需要确保系统满足推荐的应用范围，包括电机电压、BEMF常数、相 - 相电阻、相 - 相电感、工作闭环速度、工作电流和绝对最大电流等参数要求。同时，建议选择相 - 相电阻 (R_{ph - ph}) 大于4Ω的电机，以获得更清洁、低谐波的相电流。

5.2.2 详细设计步骤

• 确保系统满足推荐的应用范围。
• 参考DRV10983和DRV10975调优指南，测量电机参数。
• 使用DRV10975 GUI配置参数，并优化电机运行。
• 参考编程指南将调优设置烧录到EEPROM中。
• 根据布局指南构建硬件。
• 将设备连接到系统中并验证系统解决方案。

六、电源供应与布局建议

6.1 电源供应

DRV10975设计用于6.5V至18V的输入电压范围，用户需要在 (V_{CC}) 和GND引脚附近放置一个10µF的陶瓷电容。如果电源纹波超过200mV，还需要根据应用需求添加大容量电容。

6.2 布局建议

在布局时，应使用粗走线连接 (V{CC}) 、GND、U、V和W引脚，以承载高电流。将10µF电容放置在 (V{CC}) 和GND引脚附近，将电容放置在CPP和CPN引脚附近。同时，要确保GND、PGND和SWGND与散热垫连接良好，散热垫的连接面积应尽可能大。

七、总结

DRV10975以其丰富的功能、出色的性能和灵活的配置选项，为三相无传感器BLDC电机驱动提供了一个优秀的解决方案。无论是从电气特性、控制方案，还是保护机制和应用设计方面，都展现出了强大的优势。作为电子工程师，在设计相关电机驱动系统时，DRV10975无疑是一个值得考虑的选择。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的应用经验，欢迎在评论区分享交流。