DRV8301的使用

Posted 2022-01-10 丘木木

特点

• 电压6V到60V
• 1.7A栅极驱动电流，2.3A吸收电流
• 支持3.3V和5V接口
• 集成一个buck电源，可调节输出电压和开关频率，可对外提供1.5A电流
• 死区时间可调整、过流保护可调整、PVDD 和GVDD欠压锁定、GVDD过压锁定、过温提示/关机

内部框图和引脚介绍

buck电源相关引脚

name	NO.	Type	描述
EN_BUCK	55	I	buck电源使能引脚。悬空使能。使用两个电阻来调节输入电压锁定值。
PWRGD	4	O	开漏输出，需要外部上拉。如果由于热关闭、dropout、过压或EN_BUCK关闭而导致buck输出电压低，则该脚会输出低。
COMP	2	O	降压误差放大器的输出和输入到输出开关电流比较器。
SS_TR	56	I	Buck软启动和跟踪。连接到此引脚的外部电容设置输出上升时间。因为这个引脚上的电压覆盖内部参考，它可以用于跟踪和排序。
RT_CLK	1	I	接一个电阻到地来调节buck电源的外部时钟
PVDD2	53,54	P	buck电源的供电电源输入。
VSENSE	3	I	buck电源的输出电压反馈管脚。
BST_BK	52	P	buck电源的自举电容引脚。
PH	50,51	O	接到buck电源内部的高侧MOSFET上，外面需要电感、二极管电路来构成完整的buck电路。

其他电源相关引脚

name	NO.	Type	描述
DVDD	23	P	内部3.3 v供电电压。
AVDD	27	P	内部6v供电电压。
AGND	28	P	模拟地。
GVDD	13	P	内部栅驱动电压调节器。
CP1	14	P	电荷泵引脚。
CP2	15	P	电荷泵引脚。
PVDD1	29	P	栅极驱动器、采样电流放大器和SPI通信的电源。PVDD1是和buck电源PVDD2独立的。

SPI通信和故障指示引脚

name	NO.	Type	描述
nOCTW	5	O	过流、过温报警指示。开漏输出，需要外部上拉电阻。可通过SPI修改寄存器来配置输出模式。
nFAULT	6	O	故障指示。开漏输出，需要外部上拉电阻。
nSCS	8	I	SPI片选
SDI	9	I	MOSI
SDO	10	O	MISO
SCLK	11	I	SCK
VDD_SPI	49	I	SPI供电电源，可以使用3.3V或5V

栅极驱动和PWM输入引脚

name	NO.	Type	描述
EN_GATE	16	I	启用栅极驱动和采样电流放大器。
INH_A	17	I	半桥A高侧PWM输入
INL_A	18	I	半桥A低侧PWM输入
INH_B	19	I	半桥B高侧PWM输入
INL_B	20	I	半桥B低侧PWM输入
INH_C	21	I	半桥C高侧PWM输入
INL_C	22	I	半桥C低侧PWM输入
DTC	7	I	外接一个电阻到GND来调整死区时间。0到150K对应50ns到500ns的死区时间。

半桥电路相关引脚

name	NO.	Type	描述
SL_C	34	I	半桥C低侧MOSFET的源极。
GL_C	35	O	半桥C低侧MOSFET的栅极驱动输出。
SH_C	36	I	半桥C高侧MOSFET的源极。
GH_C	37	O	半桥C高侧MOSFET的栅极驱动输出。
BST_C	38	P	半桥C自举电容。
SL_B	39	I	半桥B低侧MOSFET的源极。
GL_B	40	O	半桥B低侧MOSFET的栅极驱动输出。
SH_B	41	I	半桥B高侧MOSFET的源极。
GH_B	42	O	半桥B高侧MOSFET的栅极驱动输出。
BST_B	43	P	半桥B自举电容。
SL_A	44	I	半桥A低侧MOSFET的源极。
GL_A	45	O	半桥A低侧MOSFET的栅极驱动输出。
SH_A	46	I	半桥A高侧MOSFET的源极。
GH_A	47	O	半桥A高侧MOSFET的栅极驱动输出。
BST_A	48	P	半桥A自举电容。
SN1	33	I	连接到电流采样电阻1的上侧
SP1	32	I	连接到电流采样电阻1的下侧
SN2	31	I	连接到电流采样电阻2的上侧
SP2	30	I	连接到电流采样电阻2的下侧
SO1	25	O	电流放大器1的输出
SO2	26	O	电流放大器2的输出
REF	24	I	设置采样电流放大器的偏置电压，该偏置电压值等于本引脚上电压的一半。连接到MCU的ADC参考电压上。
DC_CAL	12	I	当DC_CAL拉高时，器件短路采样电流放大器的输入并断开负载。直流偏置校正可通过外部单片机实现。

采样电流放大器

  DRV8301包括两个高性能的电流放大器，用于精确的电流测量。
  电流放大器通过SPI寄存器有四个可编程增益设置，分别是10、20、40和80 V/V。
  电流放大器提供高达3V的输出偏置，以支持双向电流检测。偏移量被设置为参考引脚(REF)上电压的一半。
  为了减小直流偏置和漂移超温，提供了一种通过DC_CAL引脚或SPI寄存器进行校准的方法。当直流校准启用时，设备将短路电流放大器的输入并断开负载。直流校准可以在任何时候完成，甚至在MOSFET开关期间，因为负载是断开的。为了获得最好的结果，在无负载时，在开关OFF期间进行直流校准，以减少潜在的噪声对放大器的影响。
  电流分流放大器的输出可计算为：

  简化框图：

保护功能

过流保护（OCP）

  由于MOS管有内阻，通过VDS = IDS × RDS(on)可以把电流值转换为电压值，再和通过SPI修改寄存器设置的过流值比较判断是否出发过流保护。高侧过流保护是采集PVDD1和SH_X之间的电压，低侧是采集SH_X和SL_X之间的电压，因此他们最好差分走线来消除PCB线阻差异。设置的过流值最好留20%的余量。
  通过SPI寄存器可以设置四种不同的过流模式(OC_MODE)。OC状态位以锁存模式操作。当过流情况发生时，对应的OC状态位将锁定在DRV8301寄存器中，直到下一个SPI读取命令。在读取命令之后，OC状态位将从寄存器中清除，直到出现另一个过流状态。
1、限流模式
在限流模式下，设备在过流事件期间使用电流限制而不是设备关机。
在这种模式下，设备通过nOCTW引脚报告过流事件。nOCTW引脚将被保持低最大64µs周期(内部定时器)或直到下一个PWM周期。如果另一个过流事件由另一个MOSFET触发，在先前的过流事件期间，报告将继续另一个64µs周期(内部定时器将重新启动)或直到两个PWM信号周期。在检测到过流的场效应晶体管中，将置位相关的状态位。
在限流模式中有两个电流控制设置。这些是由SPI寄存器中的一位设置的，默认模式为CBC (cycle by cycle)。

• Cycle by Cycle mode (CBC)：在CBC模式下，检测到过流的MOSFET将关闭，直到下一个PWM周期。
• Off-Time控制模式：在Off-Time模式下，当MOSFET检测到过流时，关闭时间为64µs(由内部定时器设置)。如果在另一个MOSFET中检测到过流，定时器将重置另一个64µs周期，两个MOSFET将在此期间被禁用。在此期间，特定MOSFET的正常运行可以通过相应的PWM周期恢复。

2. 锁存关闭模式
  当过流事件发生时，高边和低边mosfet将在相应的半桥中被禁用。nFAULT引脚和nFAULT状态位将与检测过流的MOSFET的相关状态位一起被激活。OC状态位将锁定直到下一个SPI读取命令。nFAULT引脚和nFAULT状态位将锁定，直到通过GATE_RESET位接收到复位或快速的EN_GATE复位脉冲。

3.只报告模式
在此模式下，当发生过流事件时，不会采取保护动作。过流事件将通过nOCTW引脚(64 μ s脉冲)和SPI状态寄存器报告。外部单片机应根据自身的控制算法采取相应的行动。

4. OC禁用模式
设备将忽略且不报告所有过流检测。

欠压保护 (PVDD_UV and GVDD_UV)

  当PVDD或GVDD低于其欠压阈值(PVDD_UV/GVDD_UV)时，DRV8301通过拉低GH_X、GL_X提供欠压保护。这将使外部mosfet处于高阻抗状态。当设备处于PVDD_UV时，它将不响应SPI命令，SPI寄存器将恢复到默认设置。
  PVDD1从13µs到15µs的瞬时欠压限电，会导致DRV8301对外部输入无响应，直到满功率周期。瞬态条件是PVDD1大于PVDD_UV水平，然后PVDD1在13 ~ 15µs的特定时间内降至PVDD_UV水平以下。瞬变时间短于或长于13 ~ 15µs不会影响欠压保护的正常运行。可以在PVDD1上增加额外的大电容以减少欠压瞬变。

过压保护 (GVDD_OV)

  如果GVDD电压超过GVDD_OV阈值，设备将关闭栅极驱动器和电荷泵，以防止与GVDD引脚或电荷泵相关的潜在问题(例如，外部GVDD电容或电荷泵电容短路)。故障是一个锁存故障，只能通过EN_GATE引脚上的复位转换来复位。

过温保护

实现了两级超温检测电路:
•1级:超温警报(OTW)
对于默认设置，OTW通过nOCTW引脚(过流和/或过温警告)报告。
OCTW引脚可以设置为仅通过SPI寄存器报告OTW或OCW。参见SPI寄存器部分。
•2级:门驱动器和电荷泵的超温锁存关闭(OTSD_GATE)
OTSD_GATE通过nFAULT引脚报告。这是一个闩锁关闭，所以门驱动器不会自动恢复，即使超温条件不再存在。EN_GATE复位或SPI (RESET_GATE)需要在温度低于预设值tOTSD_CLR后恢复门驱动器正常运行。
SPI操作仍然可用，在OTSD操作期间，只要PVDD1在定义的操作范围内，寄存器设置就会保留在设备中。

故障和保护的处理

  nFAULT引脚指示何时发生关机事件，这些事件包括过流、过温、过压或欠压。注意，nFAULT是一个开漏信号。在开机启动过程中，当栅极驱动为PWM输入做好准备时，nFAULT将会拉高。
  nOCTW引脚指示过流事件或过温事件何时发生。这些事件与关机无关。
  表5提供了所有保护特性及其报告结构的摘要。

开关机顺序

  在上电过程中，所有栅极驱动输出保持低电平。通过将EN_GATE从低状态切换到高状态，可以启动栅极驱动器和电流放大器的正常工作。如果没有错误存在，DRV8301准备接受PWM输入。只要PVDD在功能区域内，即使在栅极驱动禁用模式下，栅极驱动也始终对MOS进行控制。
  从SDO到VDD_SPI有一个内部二极管，因此VDD_SPI需要一直被供电到与其他SPI设备相同的功率级别(如果有来自其他设备的SDO信号)。在SDO引脚上出现任何信号之前，VDD_SPI电源应该先通电，在完成所有SDO引脚上的通信之后再断电。

EN_GATE功能说明

  EN_GATE low用于将栅极驱动器、电荷泵、电流放大器和内部稳压器模块置于低功耗模式，以节约能源。在此状态下SPI通信不被支持，SPI寄存器在完全EN_GATE重置后将恢复到它们的默认设置。只要PVDD仍然存在，器件将把MOSFET输出级设置为高阻抗模式。
  当EN_GATE引脚从低到高时，它将经过一个上电序列，使能门驱动器、电流放大器、电荷泵、内部调节器等，并复位所有与门驱动器块相关的锁存故障。EN_GATE也将重置SPI表中的状态寄存器。当在错误事件之后切换EN_GATE时，所有锁存故障都可以重置，除非故障仍然存在。
  当EN_GATE从高到低时，它会立即关闭门驱动块，因此门输出可以将外部fet置于高阻抗模式。然后，它将等待10µs，然后完全关闭其余的区块。一个快速的故障复位模式可以通过切换EN_GATE引脚非常短的时间(少于10µs)来实现。这将防止设备关闭其他功能块，如电荷泵和内部调节器，并带来更快和简单的故障恢复。SPI在这样一个快速的EN_GATE重置模式下仍然可以工作。要执行完全复位，EN_GATE应该被切换超过20µs。这允许所有功能模块完全关闭并达到已知状态。
  10 - 20 μ s的EN_GATE复位脉冲(高→低→高)不应该应用于EN_GATE引脚。DRV8301有一个从快速复位模式到完全复位模式的过渡区域，这会导致设备对外部输入无响应，直到一个全功率循环。如果期望在EN_GATE引脚上出现此周期的重置脉冲，可以在引脚外部添加RC滤波器。
  重置所有错误的另一种方法是使用SPI命令(RESET_GATE)，它只重置门驱动模块和所有SPI状态寄存器，而不关闭其他功能块。
  一个例外是重置GVDD_OV错误。快速的EN_GATE快速故障复位或SPI命令复位将不适用于GVDD_OV故障。重设GVDD_OV故障需要一个完整的EN_GATE，低电平保持时间大于20µs。TI强烈建议在GVDD_OV发生时检查系统和单板。

SPI通信

数据帧结构

The SDI input data word is 16 bits long and consists of:
• 1 read/write bit W [15]，0表示写，1表示读。
• 4 address bits A [14:11]
• 11 data bits D [10:0]

The SDO output data word is 16 bits long and consists of:
• 1 fault frame bit F [15]
• 4 address bits A [14:11]
• 11 data bits D [10:0]

寄存器

共有4个寄存器，两个只读的状态寄存器，两个可读写的控制寄存器

0x00状态寄存器是故障指示，0x01状态寄存器是设备ID。

0x02寄存器控制栅极驱动电流大小、栅极驱动复位、PWM模式、过流保护模式、过流保护电压值。

过流保护电压值如下表，如果设置为20，那么VDS=0.648V，假如RDS(on)=0.1Ω，根据VDS = IDS × RDS(on)，那么IDS=6.48A

PWM模式有6PWM和3PWM，6PWM就是使用6个PWM来控制3个半桥，3PWM就是使用3个PWM来控制3个半桥。

0x03寄存器控制nOCTW报告过流或过温故障、电流增益、直流校准功能、过流保护的限流模式

应用

典型原理图如下：

The three-phase gate driver can provide up to 30mA of average gate drive current. This will support switching
frequencies up to 200 kHz when the MOSFET Qg = 25nC.