深入剖析 DRV593 和 DRV594：高效 PWM 功率驱动芯片的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，选择合适的功率驱动芯片对于项目的成功至关重要。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）推出的 DRV593 和 DRV594 这两款 ±3 - A 高效 PWM 功率驱动芯片。

文件下载：drv593.pdf

一、芯片概述

DRV593 和 DRV594 是专为 2.8 V 至 5.5 V 供电系统设计的高效、大电流功率放大器，非常适合驱动各种热电冷却器（TEC）元件和激光二极管偏置。与传统的线性解决方案相比，它们在性能和效率上有了显著提升。

二、芯片特性

2.1 高效节能与成本优化

与 DRV593 相比，这两款芯片的工作模式可将输出滤波器的尺寸和成本降低 50%。仅需一个电感和电容作为输出滤波器，就能节省大量的印刷电路板（PCB）面积。

2.2 宽电压范围与大电流输出

支持 2.8 V 至 5.5 V 的低电源电压，最大输出电流可达 ±3 A，能满足多种不同功率需求的应用场景。

2.3 高可靠性保护机制

具备过流和热保护功能，当出现过流、过热或欠压情况时，故障指示器会发出信号，确保芯片和系统的安全稳定运行。

2.4 灵活的频率选择与同步

提供两种可选的开关频率（500 kHz 或 100 kHz），还支持内部或外部时钟同步，可根据系统需求灵活配置。

2.5 优化的 PWM 方案

采用优化的 PWM 方案，有效降低电磁干扰（EMI），提高系统的抗干扰能力。

2.6 散热性能良好

采用 9×9 mm PowerPAD™ 四方扁平封装，有利于散热，能有效降低芯片温度，延长芯片使用寿命。

三、应用领域

3.1 热电冷却器（TEC）驱动

在需要精确温度控制的应用中，如激光二极管、红外探测器等，DRV593 和 DRV594 能够为 TEC 提供稳定的驱动电流，实现高效的制冷或制热效果。

3.2 激光二极管偏置

为激光二极管提供稳定的偏置电流，确保激光的输出稳定性和一致性，提高激光系统的性能。

四、关键参数解析

4.1 绝对最大额定值

了解芯片的绝对最大额定值非常重要，它能帮助我们避免因超出芯片承受范围而造成损坏。DRV593 和 DRV594 的供电电压范围为 - 0.3 V 至 5.5 V，输入电压范围为 - 0.3 V 至 VDD + 0.3 V，工作温度范围为 - 40°C 至 85°C 等。

4.2 推荐工作条件

在实际应用中，应确保芯片在推荐的工作条件下运行，以保证其性能和可靠性。例如，供电电压应在 2.8 V 至 5.5 V 之间，高电平输入电压应不低于 2 V 等。

4.3 电气特性

• 输出失调电压：测量值在 14 mV 至 100 mV 之间，反映了芯片输出的准确性。
• 增益：DRV593 的增益固定为 2.3 V/V，DRV594 的增益固定为 14.5 V/V，可根据不同的应用需求选择合适的芯片。
• 输出电流：最大连续输出电流可达 3 A，满足大部分高功率应用的需求。

五、工作模式详解

5.1 脉宽调制（PWM）方案

DRV593 和 DRV594 的 PWM 方案仅需一个电感和电容作为输出滤波器，通过 H/C 输出确定电流方向，PWM 输出产生与输入控制电压成比例的负载电压，有效降低了滤波器的复杂度和成本。

5.2 制冷模式

在制冷模式下，H/C 输出接地，PWM 输出在负载上产生与输入电压成比例的电压。通过计算占空比和电源电压，可以确定负载上的差分电压。

5.3 制热模式

制热模式下，H/C 输出为 VDD，PWM 输出与负载上的电压成比例。同样，通过特定公式可以计算出负载上的差分电压。

5.4 热/冷转换

当芯片从制冷模式转换到制热模式时，PWM 输出的占空比会减小，H/C 输出从 0 V 变为 VDD，电流方向反转，但负载上保持低电压。随着进入制热模式的程度加深，占空比会进一步减小以驱动更多电流通过负载。

5.5 过零区域

当差分输出电压接近零时，芯片的控制逻辑会使输出在制热和制冷模式之间切换。为避免因随机噪声导致的输出状态频繁变化和开关噪声增加，建议在控制回路中引入迟滞。不过，芯片的正常工作点通常不在此区域。

六、设计注意事项

6.1 输出滤波器设计

TEC 元件对电流的纹波有一定要求，通常建议最大纹波电流小于 10%。为减少纹波电流和电磁干扰（EMI），可使用 LC 网络对流向 TEC 的电流进行滤波。在设计 LC 滤波器时，可从频域和时域两个角度进行考虑。

• 频域设计：根据二阶低通滤波器的传递函数，选择合适的电感和电容值，使滤波器的谐振频率至少比开关频率低一个数量级。
• 时域设计：通过计算电感的纹波电流和电容的纹波电压，确定实际通过 TEC 元件的纹波电流。

6.2 开关频率配置

芯片的开关频率可通过选择合适的外部电阻 (R{osc}) 和电容 (C{osc}) 以及设置 FREQ 引脚的电平来实现。对于 500 kHz 的开关频率，推荐使用 (R{osc}) = 120 kΩ 和 (C{osc}) = 220 pF；对于 100 kHz 的开关频率，推荐使用 (R{osc}) = 120 kΩ 和 (C{osc}) = 1 nF。同时，电阻 (R{osc}) 的公差应为 1%，电容 (C{osc}) 应选用陶瓷电容，公差为 10%。

6.3 外部时钟同步

若需要将开关与外部时钟信号同步，可将 INT/EXT 引脚拉低，并将时钟信号输入到 COSC 引脚。外部时钟信号的占空比应为 10% 至 90%，并满足电气规格表中的电压要求。由于芯片内部包含频率倍增器，外部时钟信号的频率应约为 250 kHz。

6.4 输入配置

• 差分输入：使用差分输入时，输入信号应偏置在芯片电源电压的中间值附近，且不得超过输入级的共模输入范围。
• 单端输入：最常见的配置方式是采用单端输入，将未使用的输入引脚连接到 (V_{DD} / 2)，可通过电阻分压器实现。为确保最佳性能，所选电阻值应至少比芯片输入电阻低 100 倍，并在输入引脚与地之间连接一个小陶瓷电容以滤波和稳定电压。

6.5 电源去耦

为减少高频瞬态或尖峰的影响，应在每个 PVDD 引脚附近尽可能靠近芯片处放置一个 0.1 mF 至 1 mF 的小陶瓷电容。同时，在靠近芯片的位置放置一个 10 mF 至 100 mF 的钽或铝电解电容进行大容量去耦。

6.6 AREF 电容

AREF 引脚是芯片内部中轨电压调节器的输出，用于板载振荡器和斜坡发生器。为保证稳定性，必须在 AREF 引脚与 AGND 之间连接一个 1 mF 的陶瓷电容。

6.7 关机操作

芯片具有关机模式，可通过 SHUTDOWN 引脚控制。当 SHUTDOWN 引脚为高电平时，芯片正常工作；当为低电平时，芯片进入关机状态，输出禁用，电源电流降低。该引脚不得浮空，若不使用关机功能，可将其连接到 VDD。

6.8 故障报告

芯片内置了过流、欠压和过热三种故障检测电路，通过 FAULT1 和 FAULT0 引脚进行故障指示。这两个引脚为开漏输出，需要外部连接一个 5 kΩ 或更大的上拉电阻。不同的故障状态对应不同的引脚电平组合，工程师可根据这些指示及时采取相应措施。

6.9 功率耗散与最大环境温度

芯片在工作过程中会产生一定的热量，可根据公式 (P{DISS }=left(I{OUT }right)^{2} × r{DS (on), total }) 计算功率耗散。同时，可通过公式 (A=T{J}-left(theta{J A} × P{DISS }right)) 计算最大环境温度，确保芯片在合适的温度环境下工作。

6.10 PCB 布局考虑

作为高电流开关器件，DRV593 和 DRV594 的 PCB 布局至关重要。以下是一些布局建议：

• 接地：模拟地（AGND）和功率地（PGND）应分开，最好在电源与 PCB 物理连接的地方分开，最小限度也要在大容量去耦电容处分开。PowerPAD 接地应连接到 AGND，而不是 PGND。不建议使用接地平面，应使用走线来连接电流，PGND 使用宽走线（100 mils），AGND 使用窄走线（15 mils）。
• 电源去耦：在每个 PVDD 引脚附近放置一个 0.1 mF 至 1 mF 的陶瓷电容，连接 PVDD 与 PGND；在 AVDD 引脚附近放置一个 0.1 mF 至 1 mF 的陶瓷电容，连接 AVDD 与 AGND；在靠近芯片的位置放置一个至少 10 mF 的大容量去耦电容，连接 PVDD 与 PGND。若电源线较长，可能需要额外的去耦措施。
• 功率和输出走线：功率和输出走线的尺寸应能承受所需的最大输出电流，输出走线应尽量短，以减少 EMI，输出滤波器应尽可能靠近芯片输出端。
• PowerPAD：芯片采用 TI 的 PowerPAD 技术提高散热性能，PowerPAD 接地应与 PGND 分开，AGND 引脚下方的焊盘可与 PowerPAD 接地连接以方便布线。
• 散热性能：为保证良好的散热性能，PowerPAD 必须焊接到散热焊盘上。在高电流（大于 2 A）或高环境温度（大于 25°C）的情况下，可使用内部平面进行散热。PowerPAD 下方的过孔应确保良好连接，且平面除通过 PowerPAD 连接外不得与地相连。

七、总结

DRV593 和 DRV594 以其高效节能、高可靠性、灵活的配置选项和良好的散热性能，成为热电冷却器驱动和激光二极管偏置等应用的理想选择。在实际设计过程中，我们需要充分考虑芯片的各项特性和参数，合理进行电路设计和 PCB 布局，以确保系统的性能和稳定性。希望通过本文的介绍，能帮助各位工程师更好地理解和应用这两款芯片。

你在使用 DRV593 和 DRV594 芯片的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。