DRV2700EVM-HV500 高压压电驱动器评估套件使用指南

引言

在电子工程师的日常工作中，评估和开发高压压电驱动器是一项重要任务。德州仪器（Texas Instruments）推出的 DRV2700EVM - HV500 高压压电驱动器评估套件为我们提供了一个便捷且高效的工具，用于评估和原型设计。本篇博文将深入介绍该评估套件的特性、操作方法以及相关技术细节，帮助大家更好地使用这个套件。

文件下载：DRV2700EVM-HV500.pdf

套件概述

核心芯片特性

DRV2700 是一款单芯片高压驱动器，集成了 105 - V 升压开关、功率二极管和全差分放大器。这使得它在高压驱动应用中表现出色，能够集成到多种系统中。该评估套件利用其高压开关，采用反激式配置，可实现高达 500 V 的输出电压。

主要特性

• 可控输入模式：支持模拟输入、PWM 和 MSP430 控制，提供了丰富的输入方式，满足不同应用需求。
• 可变输出电压：输出电压范围从 0 V 到 500 V，可根据实际需要进行调整。
• 双电源输入：配备两个电源输入，可隔离 DRV2700 应用电路的功耗，便于进行功耗测量和电路设计。
• 多档输出电压设置：提供 4 种方便的最大输出电压设置，可通过开关轻松调整。
• 小尺寸设计：外形尺寸仅为 14 mm x 14.5 mm，节省了 PCB 空间，适合小型化设计。

套件内容

评估套件包含 DRV2700EVM - HV500 评估板、预加载到微控制器的演示模式固件、可下载的控制软件以及 Mini - B USB 电缆。此外，如果需要进行编程和高级配置，还需要 Code Composer Studio™（CCS）for MSP430 以及 MSP430 LaunchPad™（MSP - EXP430G2）或 MSP430 - FET430UIF 硬件编程工具。

操作指南

开始使用

1. 电源连接：使用 Mini - B USB 电缆将 DRV2700EVM - HV500 连接到计算机的 USB 端口，为评估板供电。

2. 默认设置：出厂时，跳线设置为使用 USB 电源启动演示模式。默认跳线设置如下表所示：	参数	跳线设置	默认	规格
   JP1 PWM	Open		断开 PWM 输入和 MSP430 的 I/O 连接
   	Connected	X	连接 PWM 输入和 MSP430 的 I/O 连接
   JP4 DRV	Open		DRV2700 未连接到任何电源
   	VIN (1)		DRV2700 连接到 VIN 电源
   	USB (1)	X	DRV2700 连接到 USB 电源
   JP3 EN	Open		EN 通过 DRV2700 内部电阻内部拉至 GND
   	PU (1)		EN 通过外部上拉电阻拉至 MSP 电源
   	MSP (1)	X	EN 连接到 MSP430 的 I/O
   JP4 DRV	Open		DRV2700 未连接到任何电源
   	VIN (1)		DRV2700 连接到 VIN 电源
   	USB (1)	X	DRV2700 连接到 USB 电源

3. 检查电源状态：如果评估板供电正常，5 - V LED 指示灯将亮起。

4. 启用输出：可以使用 GUI 或通过计算机编程启用输出。如果使用外部输入信号，可以通过更改跳线（JP3）或等效控制信号来启用输出。

连接负载

在连接负载之前，请确保负载的额定电压与所选的输出电压匹配。如果不匹配，请参考“编程 HV 最大输出电压”部分调整 DRV2700 的最大输出电压。连接步骤如下：

1. 关闭电源，将负载的负极连接到 GND，正极连接到 JP2 的“HIGH VOLTAGE”端。
2. 确保连接正确后，开启电源。

评估套件各部分介绍

DRV2700 芯片

DRV2700 是整个评估套件的核心，它集成了升压开关、功率二极管和全差分放大器，能够实现高效的高压驱动。详细信息可参考 DRV2700（SLOS861）数据手册。

微控制器（MSP430）

板载的 MSP430F5510 微控制器用于控制各种输入信号，并通过 USB 与 GUI 进行通信。在“快速启动板设置”部分可以了解如何设置和运行 GUI。

电源输入和路径

评估套件提供两种电源输入：USB 电源和外部 VIN 电源。

• USB 电源输入：可以从计算机的标准 USB 端口、USB 充电器或 USB 电池组获取电源。该输入方便使用，可用于为评估板上的所有电路供电，并配有 5 - V LED 指示灯显示供电状态。如果要使用 GUI，必须将 USB 连接到计算机，并将 JP2 路由到 USB 连接。
• VIN/外部电源输入：需要提供 3.6 - 5.5 V 的外部电源，也可用于为整个评估板供电。
• 电源路径选择：两个电源输入可以分别路由到 DRV2700 或其他 IC。跳线位置可参考表 2 或评估板的丝印。如果需要测量 DRV2700 电路的功耗，建议将 MSP 跳线（JP2）连接到 USB 电源，DRV 跳线（JP4）连接到 VIN 电源，通过测量输入到 VIN 的电压和电流即可得到 DRV2700 的功耗。

EN 配置

DRV2700 的 EN 输入有 4 种不同的驱动配置：

• 通过 MSP430 驱动：将配置跳线连接到“MSP”状态（默认）。
• 通过上拉电阻拉至逻辑高电平：将配置跳线连接到“PU”状态。
• 通过内部下拉电阻拉至逻辑低电平：移除配置跳线。
• 外部驱动：将外部控制信号连接到中间的 100 - mil 引脚。

该信号有一个 LED 指示灯，用于指示信号处于逻辑高电平状态。

输入

模拟输入（TP1）用于 PWM 和模拟输入。具体输入模式的详细信息可参考“PWM 和模拟输入”部分。

输出

DRV2700EVM - HV500 的输出为 0 - 500 V 的高压，输出连接到端子连接器，以防止用户触摸高压节点和 GND 之间。在连接和断开高压节点时，请务必关闭电源。

TRIG 按钮

评估套件内置了一个触发按钮，可用于用户原型设计。如果不使用 GUI 而需要不同的操作模式，可以对 MSP430 进行编程，使触发按钮能够循环切换不同模式。

EVM 控制软件（GUI）

默认情况下，可以通过 GUI 接口对 DRV2700EVM - HV500 进行编程控制。GUI 分为两个选项卡：标准驱动和波形生成器。

• 标准驱动：通过改变 PWM 信号的频率和占空比进行操作，适用于快速原型设计和评估。
• 波形生成器：用于展示 DRV2700 作为比例控制器驱动各种用户创建波形的能力。

GUI 中的主要参数如下：

• 输出定时：有连续、脉冲和单脉冲 3 种模式，有助于实现定时 EN 信号。
• 升压电压百分比：即 PWM 波形的占空比，经过滤波后为一个直流值，用于调制输出。需注意，PWM 信号的占空比与输出成反比，但软件已进行处理，使滑块条能反映真实的输出百分比。该参数仅在高频/直流模式下具有真正的“升压电压百分比”效果。
• PWM 输入频率：可改变从微控制器输出并输入到输入滤波器的 PWM 信号频率，分为低（<1 kHz）、中（1 kHz < freq < 20 kHz）、高（>20 kHz）三个频段，不同频段的输出特性不同。
• 步进时间间隔（ms）：波形生成器选项卡上的步进时间间隔是指波形上各点之间的时间步长，输出最多限制为 200 个采样点。
• 从 Excel/文本导入波形：可根据 0 - 100% 的逗号分隔整数串在图表中构建波形。

为了验证负载的实际驱动情况，建议使用示波器测量输出。

反激式转换器

DRV2700 通过集成的 DC - DC 转换器创建升压电源轨，最高可达 105 V。在升压到非常高的电压时，由于开关模式电源存在多种损耗源，效率会开始下降。DRV2700 采用滞回升压设计，可最大限度减少开关损耗，提高效率。滞回控制器是一种自振荡电路，通过将输出电压保持在由参考电压调节器和电流限制比较器设置的滞回窗口内来调节输出电压。由于开关次数减少，滞回转换器通常会有较大的纹波，纹波大小与输出电容、内部延迟和控制环路的滞回有关。

编程 HV 最大输出电压

高压输出（HV）通过外部网络设置。为方便使用，评估板上安装了两个开关（SW3 和 SW4），可轻松改变 (R{FB 1}) 和 (C{FB 2}) 的值。在正常应用中，可能不需要开关，这些值可以通过无源元件设置。

HV 输出电压由以下公式给出： [V{H V}=V{F B}left(1+frac{R{F B 1}}{R{F B 2}}right)-left(frac{R{F B 1}}{R{F B 2}}right) V{O P}] 其中 (V{FB}=1.30 ~V)，(V{OP}) 是运算放大器的 (V{OL})，由于它不能完全接地。TI 建议 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 的电阻之和在 500 kΩ 到 1 MΩ 之间。

同时，反馈网络中需要电容来提高低频和高频性能。根据以下公式计算电容值： [frac{R{FB 1}}{R{FB 2}}=frac{C{FB 2}}{C{FB 1}}] 一般来说，选择 (C{FB 1}) 为 22 pF 左右，并相应地确定 (C{FB 2}) 的大小。具体的开关设置可参考下表来改变最大输出电压：	SW3	SW4	(R_{FB 2})	(C_{FB 2})	(R_{FB 1})	(C_{FB 1})	(V_{MAX})
Down	Down	5.49 kΩ	8200 pF	2.05 MΩ	22 pF	500 V
Down	Up	5.49 kΩ	4505 pF	1.122 MΩ	22 pF	275 V
Up	Down	5.49 kΩ	3717 pF	0.866 MΩ	22 pF	212 V
Up	Down	5.49 kΩ	2710 pF	0.642 MΩ	22 pF	158 V

需要注意的是，不要在输出启用或评估板通电时切换 SW3 和 SW4 的连接。

编程反激式电流限制

峰值电感电流通过电阻 R3（(R{E X T})）设置。电流限制不是安全机制，而是电感在每个周期内将看到的最高电流值。电感必须能够在正常运行期间处理这个编程限制。(R{EXT}) 与 (I{LIM}) 的关系可通过以下公式近似： [R{EXT}=left(K frac{V{REF}}{L{IM}}right)-R{INT}] 其中 (I{LIM}) 是由 (R{EXT}) 设置的电流限制，(K = 10500)，(V{REF}=1.35 ~V)，(R_{INT}=60 Omega)。

变压器选择

变压器的选择对 DRV2700 的性能至关重要。推荐的初级侧电感值范围为 3.3 µH 到 22 µH。选择较大的电感时，DRV2700 反激式转换器将自动以较低的开关频率运行，从而减少开关损耗，但较大的电感可能具有较高的等效串联电阻（ESR），会增加寄生电感损耗。

另一个需要考虑的因素是绕组比。一般来说，如果需要 200 - V 的输出，由于 SW 节点最高可升压到 100 V，那么至少需要 1:2（100 V:200 V）的变压器绕组比。为了确保在升压到所需电压时不超过初级侧的 100 V，选择略高的绕组比是一种良好的设计实践。评估板上使用的变压器绕组比为 1:10，初级侧电感为 7 µH。

HV 电容选择

评估板上的 HV 输出电压最高可编程到 500 V。因此，电容的额定电压必须等于或高于升压输出电压。由于输出可能会空载，因此添加了一个 1 nF 的输出电容以确保输出的稳定性。此外，如果需要，还提供了一个未填充的焊盘（C6）用于添加额外的电容。

PWM 和模拟输入

评估板的反激式配置使用来自微控制器的低通（两极）滤波 PWM 波形或用户提供的模拟信号。默认情况下，DRV2700EVM - HV500 使用 MSP430 PWM 输入模式。

PWM 输入使用 MSP430

在 MSP430 PWM 输入模式下，板载的 MSP430 生成一个 PWM 信号，该信号通过低通输入滤波器发送到 DRV2700。评估板默认设置为此模式。如果需要特定的波形（除了 MSP430 上已有的波形），可以更新固件。更新固件的步骤如下：

1. 下载 Code Composer Studio（或第三方 MSP430 IDE）。
2. 将 DRV2700EVM - HV500 Spy - Bi - Wire 连接到计算机。TI 网站提供了 MSP430 USB - to - JTAG 硬件接口（MSP - FET430UIF）用于更新和调试 MSP430 代码。

此外，DRV2700 产品网页上也提供了示例代码。

模拟输入

使用外部模拟源驱动 DRV2700 的步骤如下：

1. 移除跳线 JP1，断开 MSP430 输出引脚与 DRV2700 输入引脚的连接。
2. 连接 DRV2700 的 EN 信号：
   • 使用板载的 MSP430 和 GUI 通过连接 JP3 在 EN 和 MSP 之间控制 EN 引脚。
   • 通过连接 JP3 在 PU 和 EN 之间始终启用输出。
   • 使用外部控制信号连接到 JP3 的中间引脚。
3. 将模拟输入信号连接到 TP1（INPUT）。注意，默认输入范围为 0 - 3.3 V（与 PWM 信号相同）。如果需要，可以相应地更改 R21 和 R2。
4. 启用电源。
5. 启用模拟输入信号（和 EN）。

输出部分

负载选择

DRV2700 旨在驱动压电（电容性）负载。在选择压电负载时，需要考虑几个关键规格，如尺寸、阻塞力和位移。从驱动器的角度来看，关键的电气规格是电压额定值和电容。图 13 显示了典型的瞬时最大负载电流与输出电压的关系。

下拉网络

下拉 FET 和一个或多个电阻用于比仅使用反馈电阻更快地去除高压输出上的电荷。为了限制通过 FET 的电流，建议在 FET 的源极侧串联一个电阻，该电阻的大小可以根据允许的最大电流进行计算： [R{S}=frac{V{G}-V{G S(t h)}}{I{D S(M a x)}}] 其中 (V{G}) 是运算放大器的 (V{OH})，(V{GS(th)}) 是 FET 的阈值电压，(I{DS(Max)}) 是允许通过 FET 的最大电流。

在正常操作中，NMOS 的 (V{DS}) 可能会从 FET 导通时的约 0 V 到反激式配置的输出电压（(V{HV})）变化。因此，需要选择 (V{DS}) 击穿电压高于最大 (V{HV}) 的 FET。

为了消除对外部参考的需求，使用了基本电路配置中的两个参考。DRV2700 内部将 (R_{EXT}) 电压调节到约 1.3 V，但它不能提供或吸收大量电流。因此，将这个参考连接到运算放大器的高阻抗输入（该输入不吸取电流），即可使用该参考。

另一个参考电压通过在反馈网络中创建一个额外的电阻分压器（(V