DRV2911-Q1：用于超声波镜头清洁的全桥PWM输入压电驱动器

引言

在汽车电子和成像技术不断发展的今天，超声波镜头清洁系统变得越来越重要。德州仪器（TI）的DRV2911-Q1全桥PWM输入压电驱动器，专为超声波镜头清洁应用而设计，具有诸多出色的特性和功能。本文将深入介绍DRV2911-Q1的特点、应用、详细规格以及设计要点，希望能为电子工程师们在相关设计中提供有价值的参考。

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一、产品特性

1. 汽车级认证与封装

DRV2911-Q1通过了AEC-Q100汽车应用认证，温度等级为1（-40°C ≤ TA ≤ 125°C），采用可焊侧翼封装，确保了在汽车环境中的可靠性和稳定性。

2. 双通道半桥驱动

具备双通道半桥驱动器，每个半桥都有PWM输入控制，支持高达200kHz的PWM频率，还配备了过流保护功能，能有效保护电路。

3. 宽工作电压与高输出电流

工作电压范围为5V至35V（绝对最大40V），具有8A的峰值输出电流能力，能够满足高功率应用的需求。

4. 低导通电阻与低功耗

在TA = 25°C时，MOSFET的导通电阻（HS + LS）典型值为95mΩ，有效降低了功率损耗。同时，具有低功耗睡眠模式，在V_PVDD = 13.5V、TA = 25°C时，最大电流仅为2.5µA。

5. 多逻辑输入支持与内置LDO

支持1.8V、3.3V和5V逻辑输入，内置3.3V、30mA的LDO稳压器，可用于为外部电路供电。

6. 集成保护功能

集成了多种保护特性，如电源欠压锁定（UVLO）、电荷泵欠压（CPUV）、过流保护（OCP）、热警告和关断（OTW/OTSD）等，通过FAULTZ引脚指示故障状态。

二、应用领域

DRV2911-Q1适用于多种汽车相关的成像应用，包括汽车热成像相机、无处理的相机模块、后视镜替代/相机后视镜系统、后置摄像头以及环视系统ECU等。在这些应用中，它能够为超声波镜头清洁系统提供稳定可靠的驱动。

三、详细描述

1. 功能概述

DRV2911-Q1集成了两个H桥，用于驱动基于压电的镜头盖系统（LCS），最大电压能力可达40V，同时保持极低的导通电阻以减少开关损耗。还集成了电源管理LDO（3.3V / 30mA）和降压转换器（5V至5.7V，≤200mA），可用于为外部电路如超声波镜头清洁（ULC）控制器ULC1001供电。

2. 功能框图

其功能框图展示了各个部分的连接和协作关系，包括电源输入、电荷泵、调节器、输出级、保护电路等。通过合理的设计和布局，确保了设备的高效运行和稳定性。

3. 特性描述

输出级

由集成的NMOS FET组成，采用两个半桥配置，通过倍压电荷泵为高端NMOS FET提供合适的栅极偏置电压，支持100%占空比。内部线性调节器为低端MOSFET提供栅极偏置电压。

硬件接口

包含三个可配置引脚SLEW、OCP和VSEL_BK，分别用于控制驱动器输出摆率、过流保护水平和降压电压。此外，FAULTZ开漏引脚用于报告驱动器故障。

AVDD线性电压调节器

提供3.3V的线性稳压输出，可用于为内部数字电路和外部低功耗MCU等电路供电。输出应通过合适的电容进行旁路，以确保输出电压的稳定性。

降压混合模式降压调节器

集成了混合模式降压调节器，可提供5.0V或5.7V的调节电源，用于为外部控制器或系统电压轨供电。具有低静态电流，在轻载时可延长电池寿命。支持电感模式和电阻模式，用户可根据实际需求进行选择。

电荷泵

为了使输出级的N沟道FET能够充分增强，集成了电荷泵电路，产生高于PVDD电源的电压。电荷泵需要两个外部电容进行操作。

摆率控制

通过SLEW引脚可调节输出电压的摆率，提供四种摆率设置：25V/µs、50V/µs、125V/µs或200V/µs，有助于优化辐射发射、二极管恢复尖峰的能量和持续时间以及与寄生相关的开关电压瞬变。

交叉传导（死区时间）

通过插入死区时间（t_dead）避免了高端和低端MOSFET之间的直通事件，确保了电路的安全性和稳定性。

传播延迟

传播延迟时间（t_pd）由数字输入去毛刺延迟、模拟驱动器和比较器延迟三部分组成，输入去毛刺器可防止输入引脚上的高频噪声影响栅极驱动器的输出状态。

保护功能

具备多种保护功能，如PVDD电源欠压锁定、AVDD欠压锁定、VCP电荷泵欠压锁定、过流锁存保护和热关断等，有效保护了设备和系统免受故障影响。

4. 设备功能模式

复位模式

RESETZ引脚管理设备状态，当该引脚为低电平时，设备进入低功耗睡眠模式，输出级、电荷泵和AVDD被禁用。设备从睡眠模式唤醒需要经过t_WAKE时间。

操作模式

当RESETZ引脚为高电平且V_PVDD电压大于V_UVLO电压时，设备进入操作模式，电荷泵和AVDD调节器处于活动状态。

故障复位

在设备出现锁定故障时，可通过向RESETZ引脚发送复位脉冲使设备恢复到操作状态。

OUTOFF功能

通过OUTOFF引脚可独立禁用预驱动器和MOSFET，当该引脚为高电平时，输出FET被禁用。

四、应用与实现

1. 应用信息

DRV2911-Q1是双芯片超声波镜头清洁系统（ULC）中的驱动器，与ULC1001-Q1控制器配合使用，能够接收PWM输入并驱动基于压电的镜头盖系统（LCS）。输出信号可通过LC滤波器进行升压后驱动LCS。

2. 典型应用

设计流程

典型的ULC应用中，主机处理器配置ULC1001-Q1控制器，控制器驱动PWM信号到DRV2911-Q1。DRV2911-Q1的输出可通过LC滤波器后驱动LCS。在OUTA驱动器输出线路中放置一个检测电阻，用于电流检测，并将电流和电压检测连接路由回控制器。

电压和电流检测电路

每个输入到ULC1001-Q1电流和电压检测放大器的信号都需要一个分压器，将换能器两端的高电压降低到0V至0.9V。使用特定的公式和参考电阻值来确定检测电路的参数，以实现高精度的功率测量。

3. 电源供应建议

大容量电容

适当的本地大容量电容对于驱动器的最佳性能至关重要。所需的本地电容大小取决于系统的最高电流需求、电源的电容和电流能力、电源与负载之间的寄生电感以及可接受的电压纹波等因素。

4. 布局设计

布局指南

• 大容量电容应尽量靠近驱动器放置，连接的金属走线应尽可能宽，并使用多个过孔连接PCB层，以减小电感并允许大容量电容提供高瞬时电流。
• 小值电容如电荷泵、AVDD和VREF电容应使用陶瓷电容，并靠近设备引脚放置。
• 高电流设备输出应使用宽金属走线。
• 为减少噪声耦合和EMI干扰，应将PGND和AGND进行分区接地，建议将所有非功率级电路（包括散热垫）连接到AGND，以减少寄生效应并提高设备的散热性能。
• 设备的散热垫应焊接到PCB顶层接地平面，并使用多个过孔连接到大面积底层接地平面，以提高散热效果。

热考虑

DRV2911-Q1具有热关断功能，当芯片温度超过165°C（最小值）时，设备将被禁用，直到温度降至安全水平。在设计PCB和散热措施时，应考虑设备的功率损耗，包括待机功率损耗、LDO功率损耗、FET导通和开关损耗以及二极管损耗等。

五、总结

DRV2911-Q1是一款功能强大、性能可靠的全桥PWM输入压电驱动器，专为超声波镜头清洁应用而设计。其丰富的保护功能、灵活的配置选项和良好的电气性能，使其在汽车成像领域具有广泛的应用前景。电子工程师们在设计相关系统时，应充分考虑其特性和要求，合理进行布局和参数设置，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在实际应用中是否遇到过类似驱动器的散热问题或者保护功能触发的情况呢？欢迎在评论区分享交流。