DRV8340 - Q1：汽車應(yīng)用中的高性能集成柵極驅(qū)動器

在汽車電子的廣闊領(lǐng)域中，電機(jī)控制的重要性日益凸顯。為了滿足汽車電機(jī)控制應(yīng)用的需求，德州儀器（TI）推出了 DRV8340 - Q1 集成柵極驅(qū)動器。它專為三相應(yīng)用設(shè)計(jì)，集成了多種功能，能有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提升性能和可靠性。接下來，我們就深入了解一下這款器件。

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一、核心特性解讀

1. 汽車級認(rèn)證與溫度范圍

DRV8340 - Q1 通過了 AEC - Q100 汽車應(yīng)用認(rèn)證，溫度等級為 1，可在 - 40°C 至 125°C 的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作。這一特性使其能適應(yīng)汽車復(fù)雜多變的工作環(huán)境，無論是嚴(yán)寒還是酷暑，都能可靠運(yùn)行。

2. 獨(dú)立半橋柵極驅(qū)動

該器件具備三個獨(dú)立的半橋柵極驅(qū)動器，每個驅(qū)動器都有專用的源極（SHx）和漏極（DLx）引腳，可獨(dú)立控制 N 溝道 MOSFET。它能夠驅(qū)動 3 個高端和 3 個低端 N 溝道 MOSFET（NMOS），為電機(jī)控制提供了靈活的解決方案。

3. 智能柵極驅(qū)動架構(gòu)

• 可調(diào)壓擺率控制：可根據(jù)實(shí)際需求動態(tài)調(diào)整柵極驅(qū)動輸出電流的強(qiáng)度，從而控制功率 MOSFET 的 VDS 開關(guān)速度。這有助于優(yōu)化輻射發(fā)射、降低二極管恢復(fù)尖峰的能量和持續(xù)時間，減少 dV/dt 柵極導(dǎo)通導(dǎo)致的直通現(xiàn)象，以及降低與外部半橋寄生參數(shù)相關(guān)的開關(guān)電壓瞬變。
• 寬范圍的峰值電流：能提供 1.5 mA 至 1 A 的峰值源電流和 3 mA 至 2 A 的峰值灌電流，滿足不同 MOSFET 的驅(qū)動需求。

4. 電荷泵設(shè)計(jì)

采用電荷泵為高端 MOSFET 提供 100% 占空比的驅(qū)動電壓，可在較寬的輸入電源電壓范圍內(nèi)正確偏置高端 MOSFET 柵極。同時，電荷泵輸出還可用于驅(qū)動反向電源保護(hù) MOSFET，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

5. 線性穩(wěn)壓器

集成了 3.3 V、30 mA 的線性穩(wěn)壓器，可為低功耗 MCU 或其他低電流電路提供穩(wěn)定的電源。

6. 豐富的保護(hù)功能

具備多種集成保護(hù)特性，如 VM 欠壓鎖定（UVLO）、電荷泵欠壓（CPUV）、短路到電池（SHT_BAT）、短路到地（SHT_GND）、MOSFET 過流保護(hù)（OCP）、柵極驅(qū)動器故障（GDF）、熱警告和關(guān)斷（OTW/OTSD）以及故障狀態(tài)指示（nFAULT）等。這些保護(hù)功能能有效防止器件在異常情況下?lián)p壞，提高系統(tǒng)的可靠性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

DRV8340 - Q1 主要應(yīng)用于 12 - V 和 24 - V 汽車電機(jī)控制領(lǐng)域，包括無刷直流（BLDC）和有刷直流（BDC）電機(jī)模塊、風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)、燃油和水泵等。此外，它還可用于螺線管驅(qū)動，展現(xiàn)了其在汽車電子領(lǐng)域的多功能性。

三、工作原理剖析

1. 電壓供應(yīng)機(jī)制

• 高端柵極驅(qū)動器：通過倍壓電荷泵從 VM 電源輸入產(chǎn)生電壓，電荷泵受調(diào)節(jié)以保持固定的輸出電壓 VCP，并支持平均輸出電流 IGATE_HS。電荷泵持續(xù)監(jiān)測欠壓事件，防止 MOSFET 驅(qū)動不足。
• 低端柵極驅(qū)動器：采用線性穩(wěn)壓器從 VM 電源輸入產(chǎn)生電壓，線性穩(wěn)壓器輸出為 VGSL，并支持輸出電流 IGATE_LS。

2. 智能柵極驅(qū)動架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

• IDRIVE 組件：通過調(diào)整柵極驅(qū)動電流來控制 MOSFET 的 VDS 壓擺率。在 SPI 設(shè)備中可通過寄存器設(shè)置，在硬件接口設(shè)備中可通過 IDRIVE 引腳設(shè)置，提供 16 種（SPI 設(shè)備）或 7 種（硬件接口設(shè)備）不同的設(shè)置，范圍從 1.5 mA 至 1 A 源電流和 3 mA 至 2 A 灌電流。
• TDRIVE 組件：是一個集成的柵極驅(qū)動狀態(tài)機(jī)，提供自動死區(qū)時間插入、寄生 dV/dt 柵極導(dǎo)通預(yù)防和柵極故障檢測功能。死區(qū)時間可根據(jù)系統(tǒng)變化自動調(diào)整，強(qiáng)下拉電流可消除寄生電荷，柵極故障檢測可及時發(fā)現(xiàn) MOSFET 故障。

3. 故障保護(hù)機(jī)制

當(dāng)出現(xiàn)故障時，如 VM 欠壓、電荷泵欠壓、MOSFET VDS 過流、柵極驅(qū)動器短路和過溫等，器件會根據(jù)不同的故障類型采取相應(yīng)的保護(hù)措施。例如，在 VDS 過流保護(hù)中，可根據(jù) OCP_MODE 選擇不同的工作模式，如鎖存關(guān)斷、自動重試、僅報告和禁用等。

四、設(shè)計(jì)與應(yīng)用要點(diǎn)

1. 外部 MOSFET 選擇與計(jì)算

DRV8340 - Q1 的 MOSFET 支持能力取決于電荷泵的容量和輸出的 PWM 開關(guān)頻率。對于三相 BLDC 電機(jī)應(yīng)用，可使用以下公式進(jìn)行快速計(jì)算：

• 梯形 120° 換向：(I{VCP}>Q{g}×f_{PWM})
• 正弦 180° 換向：(I{VCP}>3×Q{g}×f_{PWM})

其中，(f{PWM}) 是最大期望的 PWM 開關(guān)頻率，(I{VCP}) 是電荷泵容量，取決于 VM 引腳電壓。

2. IDRIVE 配置

柵極驅(qū)動電流 IDRIVE 的強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)外部 MOSFET 的柵 - 漏電荷和輸出的目標(biāo)上升和下降時間來選擇。如果 IDRIVE 選擇過低，MOSFET 可能無法在 tDRIVE 時間內(nèi)完全導(dǎo)通，導(dǎo)致柵極驅(qū)動故障。對于已知柵 - 漏電荷 (Q{gd})、期望上升時間 (t{r}) 和期望下降時間 (t_{f}) 的 MOSFET，可使用相應(yīng)公式計(jì)算 IDRIVEP 和 IDRIVEN 的值。

3. (V_{DS}) 過流監(jiān)測配置

(V{DS}) 監(jiān)測器應(yīng)根據(jù)最壞情況下的電機(jī)電流和外部 MOSFET 的 (R{DS(on)}) 進(jìn)行配置。SPI 設(shè)備允許調(diào)整 (V_{DS}) 過流監(jiān)測器的消隱時間，可設(shè)置為 2 μs、4 μs、6 μs、8 μs、10 μs、12 μs、16 μs 或 20 μs。

4. 布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 電源旁路電容：在 VM 引腳和 PGND 引腳之間使用低 ESR 陶瓷旁路電容 (C{VM1})，并在 VM 引腳使用大容量電容進(jìn)行旁路。同時，在 CPL 和 CPH 引腳之間放置低 ESR 陶瓷電容 (C{FLY})，在 VCP 和 VM 引腳之間放置低 ESR 陶瓷電容 (C_{VCP})。
• 信號走線：VDRAIN 引腳可直接短接到 VM 引腳，但如果器件與外部 MOSFET 之間距離較遠(yuǎn)，應(yīng)使用專用走線連接到高端外部 MOSFET 漏極的公共點(diǎn)。SLx 引腳應(yīng)使用專用走線連接到低端外部 MOSFET 的源極，以提高 (V_{DS}) 感測的準(zhǔn)確性。
• 減小環(huán)路長度：盡量減小高端和低端柵極驅(qū)動器的環(huán)路長度，以降低電磁干擾。

五、總結(jié)與展望

DRV8340 - Q1 以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和可靠的保護(hù)功能，成為汽車電機(jī)控制領(lǐng)域的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部 MOSFET、配置 IDRIVE 和 (V_{DS}) 過流監(jiān)測器，并注意布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以充分發(fā)揮該器件的性能。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，我們期待 DRV8340 - Q1 能在更多的汽車應(yīng)用中展現(xiàn)其卓越的性能，為汽車的智能化和電動化發(fā)展做出貢獻(xiàn)。各位工程師在使用過程中，是否遇到過一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。