引言

在 TI 的無刷直流 (BLDC) DRV8x 產品系列使用的柵極驅動器應用中，通常使用一些控制模式來切換 MOSFET 開關的輸出柵極。這些控制模式包括：1x、3x、6x 和獨立脈寬調制 (PWM) 模式。

不過，DRV8x 產品系列（例如 DRV8311）中還有一項新技術，即 PWM 生成模式。PWM 生成模式允許用戶通過德州儀器 (TI) SPI (tSPI) 寫入器件寄存器來打開和關閉 MOSFET 柵極輸出。這種新控制模式的優勢在于其允許通過串行接口配置 PWM 周期、頻率和占空比。

因此，借助此控制模式，用戶可以通過發送 SPI 讀取/寫入信號來實現具有穩健電機控制功能的更緊湊的系統，而無需使用來自 MCU 的多個 GPIO 輸入。

tSPI 系統設計優勢

使用 DRV8311P（DRV8311的 tSPI 型號）PWM 生成模式的一個系統級優勢是消除了 INHx 和 INLx 引腳。BLDC DRV8x 器件通常需要三個 INHx 引腳和三個 INLx 引腳來控制柵極驅動器輸出。因此，如果用戶想要驅動多個電機，則需要六倍于 MCU 中電機 GPIO 引腳數量的引腳。

通過使用基于 tSPI 的 PWM 生成模式，使用四根導線即可通過 SPI 進行通信，如圖 1 所示。此外，tSPI 允許隨機訪問 DRV8311P 器件，使用通用呼叫地址，并且能夠以任何順序執行讀取/寫入。

圖 1 使用 tSPI 實現多電機控制

有關在多電機系統中使用 tSPI 的更多信息，請參閱使用 tSPI 協議減少下一個多電機 BLDC 設計中的導線數量。

PWM 生成模式

在 PWM 生成模式下，可以使用以下換向方法：梯形、正弦和磁場定向控制 (FOC)。通過使用 SPI 將相位驅動器輸出設置為正確狀態，即可實現這些方法。例如，DRV8311P 允許用戶寫入 PWM_STATE 寄存器，從而控制每個相位的高側和低側 MOSFET 的行為。

此外，該控制模式允許用戶以精確粒度配置 PWM 信號的占空比。例如，當 PWM 頻率為 20kHz 時，用戶可以實現每位 0.2% 的占空比粒度。要使用 DRV8311P 實現這個值，請進行以下計算：

1. 使用方程式 1，通過配置可生成指定 PWM 頻率的 PWM_PRD_OUT 位來設置 PWM 周期輸出。
   方程式 1. ${PWM}_{PRD}=0.5\times \left(\frac{F_{SYS}}{F_{PWM}}\right)$
   • PWM_PRD = PWM_PRD_OUT 值
   • F_SYS = 內部系統時鐘頻率（大約 20MHz）
   • f_PWM = PWM 頻率
2. 通過配置 PWM_Duty_OUTx 位來設置每個相位輸出的占空比，使用以下公式：
   方程式 2. ${?}_{value}=0.01\times PW{M}_{PRD}\times {?}_{per}$
   • Δ_value = PWM_DUTY_OUTx 值
   • Δ_per = 占空比 (%)
3. 要計算可實現的粒度級別，請根據方程式 2 對 Δ_per 求解，該公式變形如下：
   方程式 3. ${?}_{per}=\frac{{?}_{value}}{0.01\times PW{M}_{PRD}}$

在本示例中，PWM_PRD 為 500，Δ_value 設置為 250。通過使用方程式 3 求解 Δ_per，得出 Δ_per 為 50.0%。如果 Δ_value 增加 1（即 Δ_value = 251），Δ_per 變為 50.2%。因此，20kHz PWM 頻率下的占空比粒度為 0.2%。

DRV8311P 占空比步長精度

為展示上一節中提到的粒度級別，將 DRV8311P 的輸入占空比從 50.0% 開始，按 0.2% 步長遞增，直到輸入占空比達到 51.0%。在本測試中，A 相的高側 (HS) 受 PWM 控制，B 相的低側 (LS) 為導通狀態，C 相的 HS 和 LS 為關斷狀態。表 1 展示了觀察到的粒度級別。

圖 2 和圖 3 是在占空比測量過程中，在 OUTA 上觀察并捕獲的波形，對應表 1 中的前兩行數據。

圖 2 DRV8311P 占空比為 50.0% 時測得的步長精度

圖 3 DRV8311P 占空比為 50.2% 測得的步長精度

如圖 2 和圖 3 所示，測得的占空比如預期一樣增加了 0.2%。

DRV8311H 占空比步長精度

為與使用 PWM 生成模式的 DRV8311 tSPI 型號所觀察到的精度水平進行比較，使用 DRV8311H（硬件型號）進行了相同的測試。同樣，A 相 (INHA) 的高側 (HS) 受 PWM 控制，B 相 (INLB) 的低側 (LS) 被拉高，C 相的 HS 和 LS 保持低電平。表 2 展示了 DRV8311H 的占空比步進粒度。

圖 4 和圖 5 是在占空比測量過程中，在 OUTA 上觀察并捕獲的波形，對應表 2 中的前兩行數據。通道 1（黃色）捕獲輸入 PWM 信號，而通道 2（藍色）捕獲測量的 PWM 信號。

圖 4 DRV8311H 占空比為 50.0% 測得的步長精度

圖 5 DRV8311H 占空比為 50.2% 測得的步長精度

結論

如前所述，如果用戶正確設計 PCB 并執行正確的系統操作，PWM 生成模式可以作為一個功能強大的工具，用于幫助減少系統中不必要信號的數量。根據本文所示的占空比步長精度數據，PWM 生成模式是可用于電機控制的可靠方法。

參考

更多參考，請參見以下文檔：

• 德州儀器 (TI)，如何使用 DRV8311 通過 5 根導線驅動 4 個電機演示視頻。
• 德州儀器 (TI)，使用 tSPI 協議減少下一個多電機 BLDC 設計中的導線數量，應用手冊。
• 德州儀器 (TI)，集成 MOSFET 驅動器中的延遲和死區時間，應用手冊。
• 德州儀器 (TI)，DRV8311，產品頁面。
• 德州儀器 (TI)，DRV8311 三相 PWM 電機驅動器，數據表。
• 德州儀器 (TI)，DRV8311HEVM，產品頁面。
• 德州儀器 (TI)，DRV8311HEVM 用戶指南。