DRV11873：高效三相无传感器BLDC电机驱动器的深度解析

在电子工程师的日常工作中，电机驱动设计是一个关键且具有挑战性的领域。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的DRV11873，一款专为风扇电机驱动应用设计的三相无传感器BLDC电机驱动器。

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产品概述

DRV11873集成了功率MOSFET，连续驱动电流能力高达1.5A，峰值电流可达2A。它专为低噪声、低外部元件数量的风扇电机驱动应用而设计，内置过流保护，无需外部电流检测电阻，同步整流模式提高了电机驱动应用的效率。此外，它还提供5V LDO，可为外部负载提供高达20mA的电流，并通过FG和RD输出以开漏输出方式指示电机状态。

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产品特性

1. 速度控制

DRV11873可以通过PWM IN或VCC引脚控制电机速度。在大多数情况下，电机速度与PWM IN占空比或VCC输入电压的曲线接近线性，但电机特性会影响该速度曲线的线性度。PWM IN引脚内部上拉至V5，频率范围为7 - 100kHz。当FS引脚拉高时，电机驱动MOSFET以125kHz的恒定开关频率工作；当FS引脚拉低时，开关频率为62.5kHz。这种高开关频率有助于消除可听噪声，并降低VCC输入电压和电流的纹波。

2. 频率发生器（FG）

FG输出在正常运行条件下是一个50%占空比的方波，其频率代表电机速度和相位信息。FG引脚是开漏输出，需要一个外部上拉电阻连接到任何外部系统。在启动期间，FG输出保持高阻抗，直到电机速度达到一定水平并检测到反电动势（BEMF）。如果不使用FG引脚，可以将其悬空。FG引脚可以通过上拉电阻连接到V5或VCC，通常上拉电阻值可以为100kΩ或更高。在锁定保护期间，FG输出保持高电平，直到锁定保护解除并完成重启。FG引脚内置了电流限制功能，可防止意外连接VCC或V5时损坏开漏MOSFET。

3. FS设置

通过设置FS引脚，DRV11873可以适配各种类型的风扇电机。对于具有低绕组电阻和低电感的高速风扇电机，应将FS引脚拉高；对于具有高绕组电阻和高电感的低速风扇电机，应将FS引脚拉低。通过FS引脚选择，DRV11873可应用于从低速冰箱冷却风扇到高速服务器冷却风扇等广泛的应用场景。需要注意的是，FS状态只能在设备上电期间设置。

4. 锁定保护和RD输出

如果电机被外力阻塞或停止，锁定保护将在检测时间后触发。在锁定检测期间，电路会监控FG信号。如果在锁定检测时间内FG输出状态没有改变，锁定保护将停止驱动电机。在锁定释放时间后，DRV11873将恢复驱动电机。如果锁定条件仍然存在，DRV11873将继续下一个锁定保护周期，直到锁定条件解除。这种锁定保护机制可以防止电机和设备过热或损坏。不同的FS设置会决定不同的锁定检测和锁定释放时间。

RD引脚是开漏输出，可以通过上拉电阻连接到V5或VCC，通常上拉电阻值可以为100kΩ或更高。在锁定保护条件下，RD输出保持高电平，直到锁定保护解除并完成重启。RD引脚也内置了电流限制功能，可防止意外连接VCC或V5时损坏开漏MOSFET。

5. 反向旋转控制（FR）

DRV11873具有FR引脚，用于设置电机的正向或反向旋转。在DRV11873上电时设置FR状态。在正常运行期间，如果改变FR状态，电机的旋转方向不会改变。如果需要重置FR状态，应将PWM IN拉低：如果FS为高，PWM必须拉低300µs；如果FS为低，PWM必须拉低600µs。在适当的时间拉低后，FR状态将在PWM上升沿重置。

6. 5V LDO

DRV11873内置了一个5V LDO，可以输出高达20mA的负载电流，可为外部提供5V偏置电压。TI建议在PCB布局中，在V5引脚和地之间紧密连接一个2.2µF的陶瓷电容。

7. 过流保护

DRV11873可以通过连接到CS引脚和地的外部电阻来调整过流保护阈值。无需使用外部电流检测电阻，DRV11873通过功率MOSFET来检测电流，因此在电流检测过程中不会产生功率损耗，提高了系统效率。过流保护阈值可以通过外部电阻的值来设置，计算公式为I(A) = 6600 / R_CS(Ω)，有效范围为500mA < I_limit < 2000mA。在电机启动期间，过流水平会增加到R_CS设置值的1.5倍。如果在启动序列中触发过流保护，电机将无法启动。

8. UVLO（欠压锁定）

DRV11873内置了UVLO功能块，UVLO阈值的滞回为200mV。当VCC达到4.1V时，设备被锁定；当VCC上升到4.3V时，设备唤醒。

9. 热关断

DRV11873内置了热关断功能，当结温超过160°C时，设备将关闭；当结温降至150°C时，设备恢复运行。

10. 抗电压浪涌（AVS）

DRV11873具有保护功能，可防止电机制动时能量返回电源。当电机制动到较低速度或停止时，AVS功能可以保护设备以及其他设备，防止VCC电压升高。

功能模式

1. 启动模式

在启动时，换向逻辑以一相高、一相低、第三相关闭的方式开始驱动电机。如果在关闭相检测到过零，换向逻辑将前进到下一步：相同的相保持高电平，关闭相变为低电平，低电平相关闭。最初，反电动势不够强，无法检测到过零，在这个初始阶段，换向会自动切换，直到反电动势足够大可以读取。在启动模式下，无论PWM输入如何，都应用100%占空比。当换向逻辑连续收到4个成功的过零信号后，它将切换到正常运行模式。

在某些情况下，当设备尝试再次启动电机时，电机可能已经有初始速度。此时，换向逻辑将跳过启动过程，直接进入正常运行模式。

2. 闭环控制

电机成功启动后，启动控制将切换到稳态运行。在稳态控制中，电机以150°换向，这是一种先进的梯形方法，允许设备逐渐将相电流驱动到最大值，并在换向时逐渐降至0。

3. AVS保护

当设备接收到减速或停止电机的命令时，为了保护IC和系统，DRV11873的AVS保护功能将起作用。该功能可以防止电源电压VCC超过标称值，通过监控MOSFET中的电流，当检测到浪涌开始时，控制电流，防止其对VCC充电，从而避免电压浪涌。

应用与实现

1. 应用信息

DRV11873仅需要五个外部元件。需要在VCC和地之间连接一个10µF或更高的陶瓷电容进行去耦。在布局时，接地铜浇铸策略对于提高热性能非常重要。对于两层或更多层的PCB，建议使用八个散热过孔。对于高电流电机，应在U、V、W相和地之间放置三个肖特基二极管，每个二极管的阳极必须接地，阴极必须连接到U、V或W相。如果电机没有COM引脚，可以使用三个电阻以星形连接的方式模拟一个COM引脚，将一个电阻连接到U相，一个连接到V相，一个连接到W相，将电阻的另一端连接在一起，这个中心点就是COM。选择合适的电阻值时，可以从10kΩ开始，每次减小1kΩ，直到电机正常运行。

2. 典型应用

典型应用电路包括FS、PWMIN、FR、CS、RD等引脚的连接，以及相关电容和电阻的配置。设计要求包括电机电压范围为5 - 16V，VCC电容应尽可能靠近引脚放置，额定负载下的运行电流不超过1.5A，启动和电机锁定条件下的绝对最大电流不超过2A。

详细设计步骤如下：

1. 参考设计要求，确保系统满足推荐的应用范围，包括VCC电平在5 - 16V之间，电机运行时电流不超过1.5A。
2. 在构建原理图时，遵循应用和电源供应建议。对于高电流/高速电机，在相和地之间使用三个肖特基二极管；确保VCC、V5、VCP、CPP和CPN上有足够的电容；根据特性描述中的细节设置CS引脚上的电阻；在FG和RD引脚上使用上拉电阻；如果电机没有公共引脚，使用应用信息中列出的方法创建一个。
3. 根据布局指南构建硬件。将电源电容尽可能靠近引脚放置；布线U、V、W和VCC走线以处理允许的电流；确保GND连接到引脚和散热PAD；在散热PAD上使用过孔将热量从IC散发出去。
4. 使用应用中的电机测试系统，验证其正常运行。

电源供应建议

DRV11873设计用于在5 - 16V的输入电压范围内工作。用户必须在VCC和GND引脚附近尽可能靠近地放置一个额定电压为VCC的10µF陶瓷电容。如果电源纹波超过200mV，除了本地去耦电容外，还需要一个大容量电容，并根据应用要求确定其大小。如果在应用中使用了大容量电容，用户可以将本地陶瓷电容的值减小到1µF。

布局指南

1. 使用粗走线连接VCC、GND、U、V和W引脚，因为这些走线会通过高电流。
2. 在VCC和GND之间放置一个10µF的电容，并尽可能靠近VCC和GND引脚。
3. 在CPP和CPN之间放置电容，并尽可能靠近CPP和CPN引脚。
4. 在V5和地之间放置电容，并尽可能靠近V5引脚。
5. 将地连接到散热PAD。
6. 保持散热PAD连接尽可能大，在底部和顶部都应是一块没有间隙的铜。

总结

DRV11873是一款功能强大、特性丰富的三相无传感器BLDC电机驱动器，适用于各种风扇电机驱动应用。其内置的多种保护功能，如过流保护、UVLO、热关断和AVS等，提高了系统的可靠性和稳定性。在设计应用时，需要根据具体的电机特性和应用要求，合理设置各个引脚和参数，并遵循布局指南，以确保DRV11873能够发挥最佳性能。你在使用DRV11873的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。