DRV8301

特點

• 電壓6V到60V
• 1.7A柵極驅動電流，2.3A吸收電流
• 支持3.3V和5V接口18:32:57
• 集成一個buck電源，可調節輸出電壓和開關頻率，可對外提供1.5A電流
• 死區時間可調整、過流保護可調整、PVDD 和GVDD欠壓鎖定、GVDD過壓鎖定、過溫提示/關機

內部框圖和引腳介紹

buck電源相關引腳

name	NO.	Type	描述
EN_BUCK	55	I	buck電源使能引腳。懸空使能。使用兩個電阻來調節輸入電壓鎖定值。
PWRGD	4	O	開漏輸出，需要外部上拉。如果由於熱關閉、dropout、過壓或EN_BUCK關閉而導致buck輸出電壓低，則該腳會輸出低。
COMP	2	O	降壓誤差放大器的輸出和輸入到輸出開關電流比較器。
SS_TR	56	I	Buck軟啟動和跟蹤。連接到此引腳的外部電容設置輸出上升時間。因為這個引腳上的電壓覆蓋內部參考，它可以用於跟蹤和排序。
RT_CLK	1	I	接一個電阻到地來調節buck電源的外部時鍾
PVDD2	53,54	P	buck電源的供電電源輸入。
VSENSE	3	I	buck電源的輸出電壓反饋管腳。
BST_BK	52	P	buck電源的自舉電容引腳。
PH	50,51	O	接到buck電源內部的高側MOSFET上，外面需要電感、二極管電路來構成完整的buck電路。

其他電源相關引腳

name	NO.	Type	描述
DVDD	23	P	內部3.3 v供電電壓。
AVDD	27	P	內部6v供電電壓。
AGND	28	P	模擬地。
GVDD	13	P	內部柵驅動電壓調節器。
CP1	14	P	電荷泵引腳。
CP2	15	P	電荷泵引腳。
PVDD1	29	P	柵極驅動器、采樣電流放大器和SPI通信的電源。PVDD1是和buck電源PVDD2獨立的。

SPI通信和故障指示引腳

name	NO.	Type	描述
nOCTW	5	O	過流、過溫報警指示。開漏輸出，需要外部上拉電阻。可通過SPI修改寄存器來配置輸出模式。
nFAULT	6	O	故障指示。開漏輸出，需要外部上拉電阻。
nSCS	8	I	SPI片選
SDI	9	I	MOSI
SDO	10	O	MISO
SCLK	11	I	SCK
VDD_SPI	49	I	SPI供電電源，可以使用3.3V或5V

柵極驅動和PWM輸入引腳

name	NO.	Type	描述
EN_GATE	16	I	啟用柵極驅動和采樣電流放大器。
INH_A	17	I	半橋A高側PWM輸入
INL_A	18	I	半橋A低側PWM輸入
INH_B	19	I	半橋B高側PWM輸入
INL_B	20	I	半橋B低側PWM輸入
INH_C	21	I	半橋C高側PWM輸入
INL_C	22	I	半橋C低側PWM輸入
DTC	7	I	外接一個電阻到GND來調整死區時間。0到150K對應50ns到500ns的死區時間。

半橋電路相關引腳

name	NO.	Type	描述
SL_C	34	I	半橋C低側MOSFET的源極。
GL_C	35	O	半橋C低側MOSFET的柵極驅動輸出。
SH_C	36	I	半橋C高側MOSFET的源極。
GH_C	37	O	半橋C高側MOSFET的柵極驅動輸出。
BST_C	38	P	半橋C自舉電容。
SL_B	39	I	半橋B低側MOSFET的源極。
GL_B	40	O	半橋B低側MOSFET的柵極驅動輸出。
SH_B	41	I	半橋B高側MOSFET的源極。
GH_B	42	O	半橋B高側MOSFET的柵極驅動輸出。
BST_B	43	P	半橋B自舉電容。
SL_A	44	I	半橋A低側MOSFET的源極。
GL_A	45	O	半橋A低側MOSFET的柵極驅動輸出。
SH_A	46	I	半橋A高側MOSFET的源極。
GH_A	47	O	半橋A高側MOSFET的柵極驅動輸出。
BST_A	48	P	半橋A自舉電容。
SN1	33	I	連接到電流采樣電阻1的上側
SP1	32	I	連接到電流采樣電阻1的下側
SN2	31	I	連接到電流采樣電阻2的上側
SP2	30	I	連接到電流采樣電阻2的下側
SO1	25	O	電流放大器1的輸出
SO2	26	O	電流放大器2的輸出
REF	24	I	設置采樣電流放大器的偏置電壓，該偏置電壓值等於本引腳上電壓的一半。連接到MCU的ADC參考電壓上。
DC_CAL	12	I	當DC_CAL拉高時，器件短路采樣電流放大器的輸入並斷開負載。直流偏置校正可通過外部單片機實現。

采樣電流放大器

  DRV8301包括兩個高性能的電流放大器，用於精確的電流測量。
  電流放大器通過SPI寄存器有四個可編程增益設置，分別是10、20、40和80 V/V。
  電流放大器提供高達3V的輸出偏置，以支持雙向電流檢測。偏移量被設置為參考引腳(REF)上電壓的一半。
  為了減小直流偏置和漂移超溫，提供了一種通過DC_CAL引腳或SPI寄存器進行校准的方法。當直流校准啟用時，設備將短路電流放大器的輸入並斷開負載。直流校准可以在任何時候完成，甚至在MOSFET開關期間，因為負載是斷開的。為了獲得最好的結果，在無負載時，在開關OFF期間進行直流校准，以減少潛在的噪聲對放大器的影響。
  電流分流放大器的輸出可計算為：

  簡化框圖：

保護功能

過流保護（OCP）

  由於MOS管有內阻，通過VDS = IDS × RDS(on)可以把電流值轉換為電壓值，再和通過SPI修改寄存器設置的過流值比較判斷是否出發過流保護。高側過流保護是采集PVDD1和SH_X之間的電壓，低側是采集SH_X和SL_X之間的電壓，因此他們最好差分走線來消除PCB線阻差異。設置的過流值最好留20%的余量。
  通過SPI寄存器可以設置四種不同的過流模式(OC_MODE)。OC狀態位以鎖存模式操作。當過流情況發生時，對應的OC狀態位將鎖定在DRV8301寄存器中，直到下一個SPI讀取命令。在讀取命令之后，OC狀態位將從寄存器中清除，直到出現另一個過流狀態。
1、限流模式
在限流模式下，設備在過流事件期間使用電流限制而不是設備關機。
在這種模式下，設備通過nOCTW引腳報告過流事件。nOCTW引腳將被保持低最大64µs周期(內部定時器)或直到下一個PWM周期。如果另一個過流事件由另一個MOSFET觸發，在先前的過流事件期間，報告將繼續另一個64µs周期(內部定時器將重新啟動)或直到兩個PWM信號周期。在檢測到過流的場效應晶體管中，將置位相關的狀態位。
在限流模式中有兩個電流控制設置。這些是由SPI寄存器中的一位設置的，默認模式為CBC (cycle by cycle)。

• Cycle by Cycle mode (CBC)：在CBC模式下，檢測到過流的MOSFET將關閉，直到下一個PWM周期。
• Off-Time控制模式：在Off-Time模式下，當MOSFET檢測到過流時，關閉時間為64µs(由內部定時器設置)。如果在另一個MOSFET中檢測到過流，定時器將重置另一個64µs周期，兩個MOSFET將在此期間被禁用。在此期間，特定MOSFET的正常運行可以通過相應的PWM周期恢復。

2. 鎖存關閉模式
  當過流事件發生時，高邊和低邊mosfet將在相應的半橋中被禁用。nFAULT引腳和nFAULT狀態位將與檢測過流的MOSFET的相關狀態位一起被激活。OC狀態位將鎖定直到下一個SPI讀取命令。nFAULT引腳和nFAULT狀態位將鎖定，直到通過GATE_RESET位接收到復位或快速的EN_GATE復位脈沖。

3.只報告模式
在此模式下，當發生過流事件時，不會采取保護動作。過流事件將通過nOCTW引腳(64 μ s脈沖)和SPI狀態寄存器報告。外部單片機應根據自身的控制算法采取相應的行動。

4. OC禁用模式
設備將忽略且不報告所有過流檢測。

欠壓保護 (PVDD_UV and GVDD_UV)

  當PVDD或GVDD低於其欠壓閾值(PVDD_UV/GVDD_UV)時，DRV8301通過拉低GH_X、GL_X提供欠壓保護。這將使外部mosfet處於高阻抗狀態。當設備處於PVDD_UV時，它將不響應SPI命令，SPI寄存器將恢復到默認設置。
  PVDD1從13µs到15µs的瞬時欠壓限電，會導致DRV8301對外部輸入無響應，直到滿功率周期。瞬態條件是PVDD1大於PVDD_UV水平，然后PVDD1在13 ~ 15µs的特定時間內降至PVDD_UV水平以下。瞬變時間短於或長於13 ~ 15µs不會影響欠壓保護的正常運行。可以在PVDD1上增加額外的大電容以減少欠壓瞬變。

過壓保護 (GVDD_OV)

  如果GVDD電壓超過GVDD_OV閾值，設備將關閉柵極驅動器和電荷泵，以防止與GVDD引腳或電荷泵相關的潛在問題(例如，外部GVDD電容或電荷泵電容短路)。故障是一個鎖存故障，只能通過EN_GATE引腳上的復位轉換來復位。

過溫保護

實現了兩級超溫檢測電路:
•1級:超溫警報(OTW)
對於默認設置，OTW通過nOCTW引腳(過流和/或過溫警告)報告。
OCTW引腳可以設置為僅通過SPI寄存器報告OTW或OCW。參見SPI寄存器部分。
•2級:門驅動器和電荷泵的超溫鎖存關閉(OTSD_GATE)
OTSD_GATE通過nFAULT引腳報告。這是一個閂鎖關閉，所以門驅動器不會自動恢復，即使超溫條件不再存在。EN_GATE復位或SPI (RESET_GATE)需要在溫度低於預設值tOTSD_CLR后恢復門驅動器正常運行。
SPI操作仍然可用，在OTSD操作期間，只要PVDD1在定義的操作范圍內，寄存器設置就會保留在設備中。

故障和保護的處理

  nFAULT引腳指示何時發生關機事件，這些事件包括過流、過溫、過壓或欠壓。注意，nFAULT是一個開漏信號。在開機啟動過程中，當柵極驅動為PWM輸入做好准備時，nFAULT將會拉高。
  nOCTW引腳指示過流事件或過溫事件何時發生。這些事件與關機無關。
  表5提供了所有保護特性及其報告結構的摘要。

 

 

開關機順序

  在上電過程中，所有柵極驅動輸出保持低電平。通過將EN_GATE從低狀態切換到高狀態，可以啟動柵極驅動器和電流放大器的正常工作。如果沒有錯誤存在，DRV8301准備接受PWM輸入。只要PVDD在功能區域內，即使在柵極驅動禁用模式下，柵極驅動也始終對MOS進行控制。
  從SDO到VDD_SPI有一個內部二極管，因此VDD_SPI需要一直被供電到與其他SPI設備相同的功率級別(如果有來自其他設備的SDO信號)。在SDO引腳上出現任何信號之前，VDD_SPI電源應該先通電，在完成所有SDO引腳上的通信之后再斷電。

EN_GATE功能說明

  EN_GATE low用於將柵極驅動器、電荷泵、電流放大器和內部穩壓器模塊置於低功耗模式，以節約能源。在此狀態下SPI通信不被支持，SPI寄存器在完全EN_GATE重置后將恢復到它們的默認設置。只要PVDD仍然存在，器件將把MOSFET輸出級設置為高阻抗模式。
  當EN_GATE引腳從低到高時，它將經過一個上電序列，使能門驅動器、電流放大器、電荷泵、內部調節器等，並復位所有與門驅動器塊相關的鎖存故障。EN_GATE也將重置SPI表中的狀態寄存器。當在錯誤事件之后切換EN_GATE時，所有鎖存故障都可以重置，除非故障仍然存在。
  當EN_GATE從高到低時，它會立即關閉門驅動塊，因此門輸出可以將外部fet置於高阻抗模式。然后，它將等待10µs，然后完全關閉其余的區塊。一個快速的故障復位模式可以通過切換EN_GATE引腳非常短的時間(少於10µs)來實現。這將防止設備關閉其他功能塊，如電荷泵和內部調節器，並帶來更快和簡單的故障恢復。SPI在這樣一個快速的EN_GATE重置模式下仍然可以工作。要執行完全復位，EN_GATE應該被切換超過20µs。這允許所有功能模塊完全關閉並達到已知狀態。
  10 - 20 μ s的EN_GATE復位脈沖(高→低→高)不應該應用於EN_GATE引腳。DRV8301有一個從快速復位模式到完全復位模式的過渡區域，這會導致設備對外部輸入無響應，直到一個全功率循環。如果期望在EN_GATE引腳上出現此周期的重置脈沖，可以在引腳外部添加RC濾波器。
  重置所有錯誤的另一種方法是使用SPI命令(RESET_GATE)，它只重置門驅動模塊和所有SPI狀態寄存器，而不關閉其他功能塊。
  一個例外是重置GVDD_OV錯誤。快速的EN_GATE快速故障復位或SPI命令復位將不適用於GVDD_OV故障。重設GVDD_OV故障需要一個完整的EN_GATE，低電平保持時間大於20µs。TI強烈建議在GVDD_OV發生時檢查系統和單板。

SPI通信

數據幀結構

The SDI input data word is 16 bits long and consists of:
• 1 read/write bit W [15]，0表示寫，1表示讀。
• 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個寄存器，兩個只讀的狀態寄存器，兩個可讀寫的控制寄存器

0x00狀態寄存器是故障指示，0x01狀態寄存器是設備ID。

0x02寄存器控制柵極驅動電流大小、柵極驅動復位、PWM模式、過流保護模式、過流保護電壓值。

過流保護電壓值如下表，如果設置為20，那么VDS=0.648V，假如RDS(on)=0.1Ω，根據VDS = IDS × RDS(on)，那么IDS=6.48A

PWM模式有6PWM和3PWM，6PWM就是使用6個PWM來控制3個半橋，3PWM就是使用3個PWM來控制3個半橋。

0x03寄存器控制nOCTW報告過流或過溫故障、電流增益、直流校准功能、過流保護的限流模式

應用

典型原理圖如下：

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.