汽车系统的理想之选：NCV7535 SPI控制H桥和双半桥预驱动器

在电子工程师的设计领域中，对于DC电机控制的需求日益增长，特别是在汽车系统这样对可靠性和功能性要求极高的场景下。onsemi的NCV7535作为一款单芯片SPI控制的H桥预驱动器，为DC电机控制提供了高度集成的解决方案。本文将深入探讨NCV7535的特性、应用、引脚功能、电气特性以及工作模式等方面，帮助工程师更好地理解和应用这款产品。

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一、NCV7535特性概览

1. 供电范围与工作模式

NCV7535的主电源功能工作范围为5V至28V，参数工作范围为6V至18V，具备有源和待机两种工作模式。这种宽供电范围使得它能够适应多种不同的电源环境，为汽车系统等复杂场景提供了稳定的电源支持。

2. MOSFET兼容性与保护

该驱动器与低欧姆标准电平N沟道MOSFET兼容，并配备了增强型电荷泵用于内部高端电源。同时，它还设有专门的引脚用于N沟道MOSFET的反接电池保护，有效提高了系统的安全性。

3. 可编程特性

具备可编程的压摆率、死区时间和过流水平，PWM操作频率最高可达25kHz。这些可编程特性使得工程师可以根据具体的应用需求进行灵活调整，优化系统性能。

4. 自由轮模式与桥接配置

支持有源或无源自由轮，以及高端或低端自由轮模式，并且可以配置为单H桥或双半桥模式。这种多样化的配置方式为不同的电机控制需求提供了更多的选择。

5. SPI接口与保护功能

采用24位SPI接口，提供了高效的数据传输方式。同时，具备针对短路、过压、欠压和过温的保护功能，确保了设备在各种恶劣环境下的可靠性。

6. 封装与认证

采用TSSOP20封装，符合AEC - Q100标准且具备PPAP能力，是一款无铅设备，满足汽车行业的严格要求。

二、典型应用场景

NCV7535在许多领域都有广泛的应用，特别是在替代继电器系统的MOSFET电机驱动器方面表现出色。在汽车系统中，它可以用于控制各种DC电机，如车窗电机、座椅调节电机等，为汽车的智能化和自动化提供了有力支持。

三、引脚功能详解

引脚编号	引脚名称	引脚类型	描述
1	CP	模拟输出	高端栅极驱动电源的电荷泵输出
2	CPM	模拟输出	泵电容的负端
3	CPP	模拟输出	泵电容的正端
4	VCC	电源输入	设备的逻辑电源
5	CSN	带上拉的数字输入	SPI芯片选择输入
6	SCLK	带下拉的数字输入	SPI时钟输入
7	SDI	带下拉的数字输入	SPI数据输入
8	SDO	数字推挽输出，三态	SPI数据输出
9	EN	带下拉的数字输入	使能输入
10	PWM	带下拉的数字输入	脉冲宽度调制驱动器占空比输入
11	GL2	模拟输出	低端开关2的栅极输出
12	SH2	模拟输入输出	高端开关2的源极连接
13	GH2	模拟输出	高端开关2的栅极输出
14	VH	模拟输入	用于短路检测的高端开关漏极连接
15	GL1	模拟输出	低端开关1的栅极输出
16	SH1	模拟输入输出	高端开关1的源极连接
17	GH1	模拟输出	高端开关1的栅极输出
18	GND	接地	接地连接
19	CPR	模拟输出	反极性N - FET控制输出
20	VS	电池电源输入	设备的电源

四、电气特性分析

1. 绝对最大额定值

设备的各项电压参数都有明确的最大和最小值限制，如Vmax_CPR的范围为 - 25V至40V等。超过这些额定值可能会损坏设备，影响其可靠性。

2. 热特性

热阻方面，结到引脚的热阻RJL为60°C/W，结到环境的热阻RJA为130°C/W（典型值）。这些热特性参数对于设备的散热设计至关重要，工程师需要根据实际应用场景进行合理的散热规划。

3. 工作范围

工作电压、温度等参数都有相应的范围要求，如VS的功能工作电压范围为5V至28V，参数工作电压范围为6V至18V，结温范围为 - 40°C至 + 150°C。在设计过程中，必须确保设备在这些推荐的工作范围内运行，以保证其正常功能和可靠性。

4. 电气参数

包括电源消耗、过压欠压检测、电荷泵输出电压、栅极输出等方面的参数。例如，在待机模式下，VS和VCC的消耗电流为10 - 20μA；在有源模式下，VS的消耗电流为4 - 10mA，VCC的消耗电流为3.3 - 8mA。这些参数为工程师评估设备的功耗和性能提供了重要依据。

五、工作模式与控制

1. 上电/下电控制

为了防止设备在电源上下电过程中出现不受控制的操作，NCV7535实现了欠压锁定功能。当VS低于欠压阈值Vuv_vs(off)时，所有输出晶体管将关闭，确保了系统的安全性。

2. 模式控制

设备有有源模式和待机模式两种。上电后，设备默认处于待机模式。通过将芯片选择信号CSN拉低和使能信号EN拉高，设备进入启动模式，等待设置SPI位CONTROL_0.MODE = 1以激活模拟部分。如果MODE位保持复位（0），设备将在内部延迟tsrt_stby后返回待机模式，并清除所有寄存器内容，关闭所有输出晶体管。

3. 交叉电流保护和PWM控制

预驱动器通过内部电路保护防止交叉电流。在PWM操作下，PWM低电平会根据CONTROL_0.FWH位的设置使桥进入自由轮状态。例如，当FWH = 1且FWA = 1时，“PWM低”将关闭低端晶体管并打开高端晶体管进行有源自由轮；当FWA = 0时，则进行无源自由轮。此外，设备也可以仅使用SPI模式控制，此时PWM输入引脚必须强制为高电平。

4. 过压、欠压和过温关机

当电源电压VS高于过压关断电压Vov_vs(off)或低于欠压关断电压Vuv_vs(off)时，所有输出晶体管将关闭。当结温高于过温阈值Tjsd_on时，热关断位TSD将被设置，所有输出晶体管也将关闭。在设备冷却且TSD标志被微控制器复位后，输出通道可以重新启用。

5. 过流关机

当外部N - MOSFET的漏源电压（Vds）饱和时，设备会检测到过流。超过可编程的过流阈值（通过SPI寄存器位CONFIG.OCTH[2:0]设置）时，将检测到过流。在桥转换期间，错误检测会被屏蔽。如果设备处于全桥模式（CONFIG.HALF_HB = 0），则全桥将在过流时禁用；如果处于半桥模式（CONFIG.HALF_HB = 1），则仅受影响的半桥将被禁用。

六、SPI控制

1. 一般描述

NCV7535采用4线SPI接口，与应用的微控制器建立全双工同步串行通信链路。设备始终工作在从模式，控制器提供主功能。通过在CSN施加低电平的从选择信号进行SPI访问，SDI为数据输入，SDO为数据输出，SCLK为时钟输入。

2. SPI帧格式

24位的SPI输入和输出数据均为MSB优先。每个SPI输入帧由一个命令字节和两个数据字节组成，SDO返回的数据总是以全局状态字节开始，随后是两个数据字节，其内容取决于命令字节中传输的信息。

3. 各引脚功能

• CSN：控制设备的数据传输，高电平时无数据传输，SDO为高阻态；低电平时允许并启动串行数据传输，通信结束时CSN再次变为高电平。
• SCLK：当CSN为低电平时，通信从SCLK输入引脚的上升沿开始。在SCLK的每个上升沿，输入引脚SDI的数据被锁存，在SCLK的下降沿后，数据通过SDO输出。时钟SCLK必须仅在帧时间内有效，即CSN为低电平时。
• SDI：在SCLK上升沿（CSN为低电平）时，数据通过输入引脚SDI串行传输到设备。设备具有固定为1的检测功能，当检测到命令为FFFFFFh时，设备将强制进入待机模式，关闭所有输出驱动器。
• SDO：SDO数据输出驱动器在CSN输入为低电平时被激活，根据全局状态位FLT从高阻态变为低或高电平。CSN引脚从高到低转换后的第一个SCLK上升沿将所选寄存器的内容传输到数据输出移位寄存器，随后的每个SCLK下降沿将下一位通过SDO移出设备。

  4. 命令字节和全局状态字节

  每个通信帧以命令字节开始，包含操作码（OP[1:0]）和六位地址（A[5:0]），用于指定操作类型（读、写、读并清除、读取设备信息）和访问内部寄存器。在接收命令字节时，全局状态字节被传输到微控制器，包含设备的全局故障信息。

  5. ID寄存器

  芯片ID信息存储在五个特殊的8位ID寄存器中，其内容可以在通信开始时读取。

七、寄存器内容

1. CONTROL_0寄存器

用于设备模式控制和外部H桥输出控制，包含HS1、LS1、HS2、LS2等控制位，以及FWH、FWA、OVR、UVR、MODE等功能位。通过设置这些位，可以实现不同的输出控制、自由轮模式、过压欠压恢复功能和工作模式切换。

2. STATUS_0寄存器

用于预驱动器诊断，包含OC HS1、OC LS1、OC HS2、OC LS2等过流检测位，以及VSUV、VSOV等欠压和过压检测位。当检测到相应的故障时，这些位将被设置，需要微控制器进行相应的处理。

3. CONFIG寄存器

用于配置各种参数，如NOCR LH[3:0]和NOCR HL[3:0]用于设置无交叉限制时间，OCTH[2:0]用于设置过流阈值，HALF HB用于选择桥配置（全H桥或2半桥），SRF用于配置慢或快的压摆率。

八、总结与思考

NCV7535作为一款功能强大的SPI控制H桥和双半桥预驱动器，为DC电机控制提供了丰富的特性和灵活的配置选项。其宽供电范围、多种保护功能、可编程特性以及高效的SPI接口，使其成为汽车系统等对可靠性和功能性要求较高的应用场景的理想选择。

在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择设备的工作模式、配置寄存器参数，并注意设备的电气特性和热特性，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，对于SPI通信的时序和协议也需要进行严格的控制，避免出现通信故障。

大家在使用NCV7535的过程中，是否遇到过一些特殊的应用场景或挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。