DRV8311三相PWM无刷直流电机驱动器
1 特性
• 三相 PWM 电机驱动器
– 三相无刷直流电机
• 3V 至 20V 工作电压
– 24V 绝对最大电压
• 高输出电流能力
– 5A 峰值电流驱动能力
• 低导通状态电阻 MOSFET
– TA = 25°C 时，RDS(ON) (HS + LS) 为210mΩ（典型值）
• 低功耗睡眠模式
– 1.5µA（VVM = 12V，TA = 25°C）
• 多种控制接口选项
– 6x PWM 控制接口
– 3x PWM 控制接口
– 在 MCU 和 DRV8311 之间具有可选校准功能的PWM 生成模式 (SPI/tSPI)
• tSPI 接口 (DRV8311P)
– 可通过 SPI 进行 PWM 占空比和频率更新
– 使用标准 4 线 SPI 接口控制多个 DRV8311P 器件
• 支持高达 200kHz 的 PWM 频率
• 集成电流感测
– 无需外部电阻
– 感测放大器输出，每个半桥一个
• SPI 和硬件器件型号
– 10 MHz SPI 通信 (SPI/tSPI)
• 支持 1.8V、3.3V 和 5V 逻辑输入
• 内置 3.3V ± 4.5%、100 mA LDO 稳压器
• 集成保护特性
– VM 欠压锁定 (UVLO)
– 电荷泵欠压 (CPUV)
– 过流保护 (OCP)
– 热警告和热关断 (OTW/OTSD)
– 故障条件指示引脚 (nFAULT)
2 应用
• 无刷直流 (BLDC) 电机模块
• 无人机和手持设备万向节
• 咖啡机
• 扫地机器人
• 洗衣机和烘干机泵
• 笔记本电脑、台式机和服务器风扇
3 说明
DRV8311 提供了三个集成式 MOSFET 半 H 桥，用于驱动三相无刷直流 (BLDC) 电机，适用于 5V、9V、12V 或 18V 直流电源轨或 1S 至 4S 电池供电应用。该器件集成了三个具有集成电流感测功能的电流感测放大器 (CSA)，可感测 BLDC 电机的三相电流，从而实现出色的 FOC 和电流控制系统实现方案。
DRV8311P 器件可通过德州仪器 (TI) SPI (tSPI) 生成和配置 PWM 计时器，并可以直接通过 tSPI 接口控制多个 BLDC 电机。该功能可减少用于控制多个电机的初级控制器的 I/O 端口数量。
5 器件对比表
| 器件 | 封装 | 接口 | nSLEEP 输入 |
|---|---|---|---|
| DRV8311P | 24 引脚 WQFN （3 mm x 3 mm） | SPI / tSPI | 是 |
| DRV8311S | SPI | NO | |
| DRV8311H | 硬件 | 是 |
6 引脚配置和功能
表 6-1.Pin 功能
| 管脚名称 | DRV8311H | DRV8311P | DRV8311S | TYPE(1) | 描述 |
|---|---|---|---|---|---|
| AD0 | — | 15 | — | I | 仅在 tSPI 设备上DRV8311P。tSPI 的地址选择。 |
| AD1 | — | 14 | — | I | 仅在 tSPI 设备上DRV8311P。tSPI 的地址选择。 |
| AGND | 16 | 16 | 16 | PWR | 设备模拟接地。连接到系统接地。 |
| AVDD | 17 | 17 | 17 | PWR | 3.3V 稳压器输出。在 AVDD 和 AGND 引脚之间连接一个 X5R 或 X7R、0.7μF 至 7μF、6.3V 陶瓷电容器。该稳压器可从外部提供高达 100 mA 的电流。 |
| CP | 6 | 6 | 6 | PWR | 电荷泵输出。在 VCP 和 VM 引脚之间连接一个 X5R 或 X7R、0.1μF、16V 陶瓷电容器。 |
| CSAREF | 2 | 2 | 2 | PWR | 电流检测放大器电源输入和基准。在 CSAREF 和 AGND 引脚之间连接一个 X5R 或 X7R、0.1μF、6.3V 陶瓷电容器。 |
| GAIN | 21 | — | — | I | 仅在硬件设备上 （DRV8311H）。电流检测放大器增益设置。该引脚是一个 4 电平输入引脚，由 GAIN 和 AVDD 或 AGND 之间的外部电阻器配置。 |
| INHA | 15 | — | 15 | I | 用于 OUTA 的高端驱动器控制输入。此引脚控制 6x/3x PWM 模式下高侧 MOSFET 的状态。 |
| INHB | 14 | — | 14 | I | 用于 OUTB 的高端驱动器控制输入。此引脚控制 6x/3x PWM 模式下高侧 MOSFET 的状态。 |
| INHC | 13 | — | 13 | I | 用于 OUTC 的高端驱动器控制输入。此引脚控制 6x/3x PWM 模式下高侧 MOSFET 的状态。 |
| INLA | 18 | — | 18 | I | 用于 OUTA 的低侧驱动器控制输入。此引脚控制 6x PWM 模式下低侧 MOSFET 的状态。 |
| INLB | 19 | — | 19 | I | 用于 OUTB 的低侧驱动器控制输入。此引脚控制 6x PWM 模式下低侧 MOSFET 的状态。 |
| INLC | 20 | — | 20 | I | 用于 OUTC 的低侧驱动器控制输入。此引脚控制 6x PWM 模式下低侧 MOSFET 的状态。 |
| MODE | 23 | — | — | I | 仅在硬件设备上 （DRV8311H）。PWM 模式设置。该引脚是一个 4 电平输入引脚，由 MODE 和 AVDD 或 AGND 之间的外部电阻器配置。 |
| nFAULT | 1 | 1 | 1 | O | 故障指示引脚。逻辑上拉, 低电平具有故障;开漏输出需要外部上拉至 AVDD。 |
| nSCS | — | 20 | 24 | I | 仅在 SPI （DRV8311S） 和 tSPI （DRV8311P） 设备上。串行片选。该引脚上的逻辑低电平使能串行接口通信 （SPI 器件）。 |
| nSLEEP | 24 | 24 | — | I | 仅在 DRV8311H 和 DRV8311P 设备上。当该引脚为逻辑低电平时，器件进入低功耗休眠模式。nSLEEP 引脚上的 15 至 50μs 低脉冲可用于在不进入睡眠模式的情况下重置故障条件。 |
| OUTA | 10 | 10 | 10 | O | 半桥输出 A. 连接到电机绕组。 |
| OUTB | 11 | 11 | 11 | O | 半桥输出 B. 连接到电机绕组。 |
| OUTC | 12 | 12 | 12 | O | 半桥输出 C. 连接到电机绕组。 |
| PGND | 9 | 9 | 9 | PWR | 设备电源接地。连接到系统接地。 |
| PWM_SYNC | — | 19 | — | I | 仅在 tSPI 设备上DRV8311P。连接到 MCU 信号，以在 PWM 生成模式下将内部生成的 PWM 信号从 DRV8311 同步到 MCU。 |
| SCLK | — | 23 | 23 | I | 仅在 SPI （DRV8311S） 和 tSPI （DRV8311P） 设备上。串行时钟输入。串行数据在 SCLK （SPI 器件） 的上升沿移出，并在 SCLK （SPI 器件） 的下降沿捕获。 |
| SDI | — | 22 | 22 | I | 仅在 SPI （DRV8311S） 和 tSPI （DRV8311P） 设备上。串行数据输入。数据在 SCLK 引脚 （SPI 器件） 的下降沿捕获。 |
| SDO | — | 21 | 21 | O | 仅在 SPI （DRV8311S） 和 tSPI （DRV8311P） 设备上。串行数据输出。数据在 SCLK 引脚的上升沿移出。 |
| SLEW | 22 | — | — | I | 仅在 DRV8311H 设备上。OUTx 电压转换速率控制设置。该引脚是一个 4 级输入引脚，由 SLEW 引脚和 AVDD 或 AGND 之间的外部电阻器设置。 |
| SOA | 5 | 5 | 5 | O | 用于 OUTA 的电流检测放大器输出。 |
| SOB | 4 | 4 | 4 | O | 用于 OUTB 的电流检测放大器输出。 |
| SOC | 3 | 3 | 3 | O | 用于 OUTC 的电流检测放大器输出。 |
| VM | 8 | 8 | 8 | PWR | 电机的电源。连接到电机电源电压。在 VM 和 PGND 之间连接一个 X5R 或 X7R、0.1-uF VM 级陶瓷旁路电容器以及一个 >=10-uF、VM 级大容量电容器。此外，在 VM 和 CP 引脚之间连接一个 X5R 或 X7R、0.1uF、16V 陶瓷电容器。 |
| VIN_AVDD | 7 | 7 | 7 | PWR | 为 AVDD 供电。在 VIN_AVDD 和 PGND 之间，使用 X5R 或 X7R、0.1uF、VIN_AVDD 级陶瓷电容器以及 >=10uF、VIN_AVDD 级额定大容量电容器旁路到 AGND。 |
| Thermal pad | PWR | 必须连接到 PGND。 | |||
| NC | — | 13,18 | — | — | 无连接。保持 pin 悬空。 |
（1） I = 输入，O = 输出，PWR = 电源，NC = 无连接
7.3 推荐操作条件
在工作环境温度范围内（除非另有说明）
| 符号 | 功能 | 引脚名称 | 最小 | 典型 | 最大 | 单位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VVM | Power supply voltage | VVM | 3 | 12 | 20 | V |
| VIN_AVDD | AVDD regulator input pin voltage | VVIN_AVDD | 3 | 12 | 20 | V |
| fPWM | Output PWM frequency | OUTA, OUTB, OUTC | 200 | kHz | ||
| IOUT (1) | Peak output current | OUTA, OUTB, OUTC | 5 | A | ||
| VIN | Logic input voltage | INHx, INLx, nSCS, nSLEEP, SCLK,SDI, ADx, GAIN, MODE, SLEW,PWM_SYNC | -0.1 | 5.5 | V | |
| VOD | Open drain pullup voltage | nFAULT | -0.1 | 5.5 | V | |
| IOD | Open drain output sink current | nFAULT | 5 | mA | ||
| VCSAREF | CSA refernce input Voltage | CSAREF | 2 | 3.6 | V | |
| ICSAREF | CSA refernce input Current | CSAREF | 2.5 | 7.5 | mA |
8 详细说明
8.1 概述
DRV8311 是一款用于三相电机驱动应用的集成 MOSFET 驱动器。高侧和低侧 FET 的组合导通电阻典型值为 210mΩ。该器件通过集成三个半桥 MOSFET、栅极驱动器、电荷泵、电流检测放大器和用于外部负载的线性稳压器，减少了系统元件数量、成本和复杂性。对于DRV8311S，标准串行外设接口 （SPI） 提供了一种简单的方法，用于配置各种设备设置并通过外部控制器读取故障诊断信息。对于DRV8311H，硬件接口 （H/W） 允许通过固定的外部电阻器配置最常用的设置。对于DRV8311P，Texas Instruments SPI （tSPI） 提供了配置各种器件设置并调整 PWM 占空比和频率的能力，以便一次控制多个电机。
该架构使用内部状态机来防止短路事件，并防止内部功率 MOSFET 的 dV/dt 寄生导通。
DRV8311 器件集成了三个双向低侧电流分流放大器，用于使用内置电流检测来监控通过每个半桥的电流，无需外部电流检测电阻器。分流放大器的增益设置可以通过 SPI、tSPI 或硬件接口进行调整。
除了高水平的设备集成外，DRV8311 设备还提供广泛的集成保护功能。这些功能包括电源欠压锁定 （UVLO）、电荷泵欠压锁定 （CPUV）、过流保护 （OCP）、AVDD 欠压锁定 （AVDD_UV） 和过热关断（OTW 和 OTSD）。故障事件由 nFAULT 引脚指示，SPI 和 tSPI 器件版本的寄存器中提供详细信息。
DRV8311H、DRV8311P 和 DRV8311S 器件采用 0.4mm 引脚间距 WQFN 表面贴装封装。WQFN 封装尺寸为 3.00 mm × 3.00 mm。
8.2 功能框图
8.3 功能描述
表 8-1 lists the recommended values of the external components for the driver.
表 8-1. DRV8311 External Components
| COMPONENTS | PIN 1 | PIN 2 | RECOMMENDED |
|---|---|---|---|
| CVM1 | VM | PGND | X5R or X7R, 0.1-µF, VM-rated capacitor |
| CVM2 | VM | PGND | ≥ 10-µF, VM-rated electrolytic capacitor |
| CVIN_AVDD1 | VIN_AVDD | AGND | X5R or X7R, 0.1-µF, VIN_AVDD-rated capacitor |
| CVIN_AVDD2 | VIN_AVDD | AGND | ≥ 10-µF, VIN_AVDD-rated capacitor |
| CCP | CP | VM | X5R or X7R, 16-V, 0.1-µF capacitor |
| CAVDD | AVDD | AGND | X5R or X7R, 0.7 to 7-µF, 6.3-V capacitor |
| RnFAULT | AVDD | nFAULT | 5.1-kΩ, Pullup resistor |
| RSDO | AVDD | SDO | 5.1-kΩ, Pullup resistor (Optional) |
| RMODE | MODE | AGND or AVDD | 节 8.3.3.2 |
| RSLEW | SLEW | AGND or AVDD | 节 8.3.3.2 |
| RGAIN | GAIN | AGND or AVDD | 节 8.3.3.2 |
| CCSAREF | CSAREF | AGND | X5R or X7R, 0.1-µF, CSAREF-rated capacitor |
8.3.1 输出级
DRV8311 器件由以三相桥配置连接的集成 NMOS MOSFET 组成。
倍增器电荷泵除了提供 100% 占空比支持外，还可在宽工作电压范围内为高侧 NMOS MOSFET 提供适当的栅极偏置电压。由 VM 电源供电的内部线性稳压器为低侧 MOSFET 提供栅极偏置电压 （VLS）。
8.3.2 控制模式
DRV8311 系列器件提供三种不同的控制模式，以支持各种换向和控制方法。表 8-2 显示了 DRV8311 设备的各种模式。
表 8-2. PWM Control Modes
| MODE Type | MODE Pin(DRV8311H) | MODE Bits(DRV8311S) | MODE Bits(DRV8311P) | MODE |
|---|---|---|---|---|
| Mode 1 | Mode pin tied to AGND or Mode pin to 47kΩ tied to AGND | PWM_MODE =00b or PWM_MODE =01b | NA | 6x Mode |
| Mode 2 | Mode pin Hi-Z or Mode pin tied to AVDD | PWM_MODE =10b | NA | 3x Mode |
| Mode 3 | NA | PWM_MODE =11b | PWM_MODE =11b | PWM Generatio |
Texas Instruments 不建议在器件上电期间（即 tWAKE 期间）更改 MODE 引脚或 MODE 寄存器。DRV8311H 上的 MODE 设置在上电时被锁存，因此在更改 DRV8311H 上的 MODE 引脚配置之前设置 nSLEEP = 0。在 DRV8311S 中，在更改 MODE 寄存器之前，将所有 INHx 和 INLx 引脚设置为逻辑低电平。
8.3.2.1 6x PWM 模式（仅限 DRV8311S 和 DRV8311H 变体）
在 6x PWM 模式下，每个半桥支持三种输出状态：低、高或高阻抗 （Hi-Z）。自
在 6x PWM 模式下配置 DRV8311H，将 MODE 引脚连接到 AGND 或将 MODE 引脚连接到 47 kΩ 并网
到 AGND。要在 DRV8311S 中启用 6x PWM 模式，请将 MODE 位配置为 PWM_MODE = 00b 或 01b。这
相应的 INHx 和 INLx 信号控制输出状态，如表 8-3 所示。
表 8-3.6x PWM 模式真值表
| INLx | INHx | OUTx |
|---|---|---|
| 0 | 0 | Hi-Z |
| 0 | 1 | H |
| 1 | 0 | L |
| 1 | 1 | Hi-Z |
图 8-4 显示了配置为 6x PWM 模式的 DRV8311 的应用框图。
8.3.2.2 3x PWM 模式（仅限 DRV8311S 和 DRV8311H 变体）
在 3x PWM 模式下，INHx 引脚控制每个半桥并支持两种输出状态：低电平或高电平。要将DRV8311H配置为 3x PWM 模式，请将 MODE 引脚连接到 AVDD 或将 MODE 引脚保持在 Hi-Z。要在 DRV8311S 中启用 3x PWM 模式，请将 MODE 位配置为 PWM_MODE = 10b。INLx 引脚用于将半桥置于 Hi-Z 状态。如果不需要 Hi-Z 状态，则将所有 INLx 引脚连接到逻辑高电平（例如，将它们连接到 AVDD）。相应的 INHx 和 INLx 信号控制输出状态，如表 8-4 所示。
表 8-4.3x PWM 模式真值表
| INLx | INHx | OUTx |
|---|---|---|
| 0 | X | Hi-Z |
| 1 | 0 | L |
| 1 | 1 | H |
8.3.2.3 PWM 生成模式（DRV8311S 和 DRV8311P 变体）
在 PWM 生成模式下，PWM 信号在 DRV8311 内部生成，可通过 SPI （DRV8311S） 或 tSPI （DRV8311P） 寄存器读/写进行控制。这种操作模式消除了通过 INHx 和 INLx 引脚控制电机的需要。每个相位的 PWM 周期、频率和占空比可以通过串行接口进行配置。PWM_SYNC 引脚功能允许 MCU 和 DRV8311 之间同步。PWM 模式可以配置为启用或禁用每个相位的高侧或低侧 MOSFET PWM 控制，以便在需要时允许连续或不连续切换。
在 PWM 生成模式下使用 DRV8311S 时，将 MCU 的 PWM_SYNC 信号连接到 DRV8311S 的 INLB 引脚。在此模式下，DRV8311S不关心所有其他 INHx 和 INLx pins的状态。
梯形、正弦和 FOC 控制都可以使用 PWM 生成模式。
PWM 生成模式有三种不同的选项：up/down 模式、up mode 和 down mode。PWM 生成模式可以使用 PWMG_CTRL 寄存器中的 PWMCNTR_MODE 位进行配置。将PWMG_x_DUTY寄存器中 PWM_DUTY_OUTx 位（每相 A、B、C 的 x）定义的占空比与参考计数器信号进行比较，以生成高侧 MOSFET PWM。PWM 生成使用内部根据 PWM_PRD_OUT 位（PWMG_PERIOD 寄存器）和 PWMCNTR_MODE 位的配置生成的参考计数器信号。如果 PWM_EN 位为高电平，则当 PWM_DUTY_OUTx 大于基准计数器时，高侧 MOSFET PWM 输出为高电平。当 PWM_EN 为低电平时，输出始终保持低电平。为了实现高侧 MOSFET 的 100% 占空比 [整个周期HS_ON]，PWM_DUTY_OUTx值必须高于 PWM_PRD_OUT 值。
在上/下模式 [PWMCNTR_MODE = 0h] 下，参考计数器波形类似于 V 形，启用时从 PWM_PRD_OUT 值开始倒计时，然后在计数器达到零时再次倒计时。
配置PWM_PRD_OUT位以使用关系 PWM_PRD_OUT = 0.5 x （FSYS /FPWM） 生成 PWM 频率 （FPWM）。FSYS 是 DRV8311P 和 DRV8311S 的内部系统时钟频率 （约 20MHz）。
8.3.5 电荷泵
由于输出级使用 N 沟道 FET，因此该器件需要高于 VM 电源的栅极驱动电压，以充分增强高侧 FET。DRV8311 集成了一个电荷泵电路，可为此在 VM 电源上方产生电压。
电荷泵需要一个外部电容器才能工作。电容器值详见表 8-1。
当 nSLEEP 为低电平时，电荷泵关闭。
8.3.10 电流检测放大器
DRV8311 集成了三个高性能低侧电流感应放大器，用于使用内置电流感应进行电流测量。低侧电流测量通常用于实现过流保护、外部扭矩控制或与外部控制器的无刷直流换向。所有三个放大器都可用于感应每个半桥脚（低侧 MOSFET）中的电流。电流检测放大器包括可编程增益和引脚 CSAREF 上提供的外部电压基准 （VREF） 等功能。
12 布局
12.1 布局准则
应放置大容量电容器，以尽量减少通过电机驱动器设备的大电流路径的距离。连接的金属走线宽度应尽可能宽，并且在连接 PCB 层时应使用多个过孔。这些做法最大限度地减少了电感，并允许大容量电容器提供高电流。
小值电容应为陶瓷电容，并靠近器件引脚放置，包括 AVDD、电荷泵、CSAREF、VINAVDD 和 VM。
大电流器件输出应使用较宽的金属走线。
为了减少大瞬态电流对小电流信号路径的噪声耦合和 EMI 干扰，应在 PGND 和 AGND 之间划分接地。TI 建议将所有非功率级电路（包括导热垫）连接到 AGND，以减少寄生效应并改善器件的功耗。确保通过网络连接接地，以减少电压偏移并保持栅极驱动器性能。公共接地层也可用于 PGND 和 AGND，以最大限度地减少接地中的电感，但建议将电机开关输出放置在远离模拟和数字信号的位置，这样电机噪声就不会耦合到模拟和数字电路中。
器件导热垫应焊接到 PCB 顶层接地层。应使用多个 via 连接到一个大的底层接地层。使用大型金属平面和多个通孔有助于消散器件中产生的热量。
为了提高散热性能，请在 PCB 的所有可能层中最大化连接到导热垫接地的接地面积。使用厚铜浇注可以降低结点到空气的热阻，并改善芯片表面的散热。