DRV10987：三相無傳感器BLDC電機驅(qū)動的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，電機驅(qū)動的設(shè)計是一項關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）推出的DRV10987，一款專為三相無傳感器BLDC電機設(shè)計的高性能驅(qū)動芯片。

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1. 產(chǎn)品概述

DRV10987是一款集成了功率MOSFET的三相無傳感器電機驅(qū)動器，能夠提供高達(dá)2A的連續(xù)驅(qū)動電流。它專為對成本敏感、低噪聲、外部元件數(shù)量少的風(fēng)扇和泵應(yīng)用而設(shè)計。通過簡單的I2C接口，用戶可以對其進行配置，以適應(yīng)不同的電機參數(shù)和啟動曲線，滿足多樣化的客戶需求。

2. 產(chǎn)品特性亮點

2.1 寬工作電壓范圍與低導(dǎo)通電阻

該芯片的電機工作電壓范圍為6.2V至28V，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。在環(huán)境溫度為25°C時，總驅(qū)動 (H + L r_{DS(on)}) 為250mΩ，這有助于降低功率損耗，提高效率。其連續(xù)繞組電流可達(dá)2A（峰值3A），能夠滿足大多數(shù)電機的驅(qū)動需求。

2.2 無傳感器正弦波180°換向方案

采用無傳感器正弦波180°換向方案，可顯著降低電機運行時的純音噪聲，使電機運行更加安靜。同時，可配置的輸出PWM轉(zhuǎn)換速率和頻率有助于進行EMI管理，減少電磁干擾。

2.3 初始位置檢測算法

初始位置檢測算法可避免電機啟動時的反轉(zhuǎn)，確保電機平穩(wěn)啟動。而且，該芯片無需外部檢測電阻，簡化了電路設(shè)計。

2.4 靈活的用戶接口選項

• I2C接口：可通過該接口訪問寄存器，實現(xiàn)命令和反饋功能。
• 專用SPEED引腳：可接受模擬或PWM輸入，方便用戶進行速度控制。
• 專用FG引腳：提供TACH反饋，讓用戶實時了解電機的運行速度。
• 啟動曲線定制：可通過EEPROM定制啟動曲線，滿足不同應(yīng)用的需求。
• 正反轉(zhuǎn)控制：通過DIR引腳實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制。

2.5 集成電源管理模塊

集成了5V、100mA的降壓轉(zhuǎn)換器和3.3V、20mA的LDO，為內(nèi)部和外部電路提供穩(wěn)定的電源。不同版本的待機電流表現(xiàn)出色，如DRV10987S的待機電流為8.5mA，DRV10987D的睡眠電流僅為48μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。

2.6 全面的保護功能

具備過流保護（包括相間、相地和相電源短路）、鎖定檢測、抗電壓浪涌保護、欠壓鎖定、過壓保護以及熱警告和關(guān)斷等功能，確保芯片和電機在各種異常情況下都能安全可靠運行。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

DRV10987的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括但不限于：

• 風(fēng)扇類：臺扇、吊扇、空氣凈化器和加濕器的風(fēng)扇、烘干機循環(huán)風(fēng)扇等。
• 泵類：排水泵和水泵。
• 電機類：三相BLDC和PMSM電機。

4. 詳細(xì)功能解析

4.1 調(diào)節(jié)器

• 降壓調(diào)節(jié)器：可配置為使用外部電感的開關(guān)降壓調(diào)節(jié)器或使用外部電阻的線性調(diào)節(jié)器。在降壓模式下，效率更高，輸出電壓為5V。其開關(guān)頻率會隨負(fù)載變化，用戶可根據(jù)不同模式下的電流參數(shù)來確定為外部負(fù)載提供的電流量。
• 3.3V和1.8V LDO：為內(nèi)部電路提供穩(wěn)定電源，其中3.3V LDO還可驅(qū)動不超過 (I_{V3P3_MAX}) 的外部負(fù)載。

4.2 保護電路

• 熱關(guān)斷：當(dāng)結(jié)溫超過 (T{SDN}) 時，芯片會自動關(guān)斷；當(dāng)結(jié)溫降至 (T{SDN}-T_{SDN_HYS}) 時，恢復(fù)正常工作。同時，會通過狀態(tài)位進行指示。
• 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng) (V{CC}) 低于 (V{UVLOF}) 時，芯片會被鎖定；當(dāng) (V{CC}) 高于 (V_{UVLO_R}) 時，解鎖。主電源、降壓調(diào)節(jié)器、電荷泵和3.3V LDO均有欠壓鎖定監(jiān)測功能。
• 過流保護（OCP）：當(dāng)檢測到FET電流超過閾值時，會將輸出驅(qū)動器置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，直到鎖定時間 (t_{LOCK_OFF}) 結(jié)束。
• 鎖定保護：當(dāng)電機被外部力阻塞或停止時，會觸發(fā)鎖定保護，停止驅(qū)動電機；經(jīng)過鎖定釋放時間 (t_{LOCK_OFF}) 后，嘗試重新驅(qū)動電機。

4.3 電機速度控制

提供四種間接控制電機速度的方法，可通過改變電源電壓 (V_{CC}) 或控制速度命令來實現(xiàn)。速度命令可通過PWM輸入、模擬輸入或I2C串口進行設(shè)置。同時，芯片還具備AVS功能、軟件電流限制功能和閉環(huán)加速功能，可優(yōu)化控制性能。

4.4 過壓保護

當(dāng) (V{CC}) 超過 (V{OVR}) 時，芯片會停止驅(qū)動電機并保護自身電路；當(dāng) (V{CC}) 降至 (V_{OV_F}) 以下時，恢復(fù)電機驅(qū)動。

4.5 睡眠或待機模式

有睡眠模式（DRV10987D）和待機模式（DRV10987S）兩種版本。進入睡眠或待機模式可節(jié)省能源，睡眠模式下會禁用降壓調(diào)節(jié)器，I2C接口也會被禁用；待機模式下開關(guān)調(diào)節(jié)器保持活躍，寄存器數(shù)據(jù)和I2C接口保持有效。

5. 電機啟動與運行

5.1 電機參數(shù)配置

電機相電阻 (R_{PH_CT}) 和反電動勢常數(shù)Kt是兩個重要參數(shù)，需要在寄存器中進行配置。用戶可通過測量和計算將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字寄存器值。

5.2 不同初始條件下的電機啟動

• 電機靜止：可通過初始位置檢測（IPD）或?qū)R并啟動技術(shù)來初始化換向邏輯，使其與電機位置同步。
• 電機正向旋轉(zhuǎn)：如果電機以足夠的速度正向旋轉(zhuǎn)，芯片可直接進入閉環(huán)控制，實現(xiàn)快速啟動。
• 電機反向旋轉(zhuǎn)：可通過反向驅(qū)動、等待電機停止或制動電機等方法，將電機轉(zhuǎn)換為正向旋轉(zhuǎn)。

5.3 電機啟動序列

芯片的電機啟動序列包括多個判斷和狀態(tài)轉(zhuǎn)換，如初始速度檢測（ISD）、正向判斷、制動判斷、IPD判斷等，確保電機在各種情況下都能可靠啟動。

5.4 閉環(huán)控制

在閉環(huán)運行模式下，芯片會連續(xù)采樣電機U相電流，用于估計反電動勢電壓，并根據(jù)估計值控制電機的驅(qū)動狀態(tài)。用戶可根據(jù)應(yīng)用需求選擇半周期調(diào)整或全周期調(diào)整模式。

6. 寄存器配置

DRV10987通過I2C接口提供了豐富的寄存器配置選項，包括速度控制、EEPROM編程、電機參數(shù)配置等。用戶可根據(jù)具體應(yīng)用需求對寄存器進行讀寫操作，以實現(xiàn)對電機的精確控制。

7. 應(yīng)用設(shè)計與注意事項

7.1 典型應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路中，需要根據(jù)推薦的參數(shù)選擇合適的外部元件，如電容、電感、電阻等。同時，要注意電源濾波和布局布線，以確保芯片的穩(wěn)定運行。

7.2 布局指南

• 采用粗走線連接 (V_{CC})、GND、U、V和W引腳，以承載大電流。
• 將電容盡可能靠近相應(yīng)的引腳放置，以提高濾波效果。
• 確保GND、PGND和SWGND在散熱墊下連接良好，保持散熱墊連接面積盡可能大。

7.3 電源供應(yīng)

建議使用8V至28V的輸入電壓，并在 (V_{CC}) 和GND引腳附近放置10μF的陶瓷電容。如果電源紋波超過200mV，可能需要增加大容量電容。

8. 總結(jié)

DRV10987以其豐富的功能、靈活的配置選項和全面的保護機制，為三相無傳感器BLDC電機驅(qū)動提供了一個優(yōu)秀的解決方案。無論是在降低噪聲、提高效率還是增強可靠性方面，都表現(xiàn)出色。電子工程師在設(shè)計相關(guān)應(yīng)用時，可充分利用其特性，打造出高性能、穩(wěn)定可靠的電機驅(qū)動系統(tǒng)。你在使用DRV10987的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。