簡介

DRV8334 提供各種可通過 SPI 進行配置的柵極驅動功能，可以幫助解決與縮短死區時間，減少 EMI、電感尖峰和功率損耗相關的難題。高效地開關 MOSFET 是降低 MOSFET 開關損耗的關鍵，但是，還必須采取相應措施來減少 MOSFET 開關期間柵極和源極上可能出現的振鈴。本應用簡報探討了 TI 的 DRV8334 集成式柵極驅動技術的各項功能，以及如何使用這項技術來應對各種設計挑戰。

VDS 轉換率控制

VDS 轉換率控制 (IDRIVE) 是 TI 許多 BLDC 電機驅動器提供的一項功能。VDS 轉換率控制可提供通過選擇所需設置來調整驅動器柵極電流強度的功能。這樣，您就能夠根據特定 MOSFET 參數，調整柵極驅動灌電流和拉電流，從而更改 MOSFET 開關速度。這有助于優化 EMI 和開關速度之間的平衡。對于具有固定柵極電流的電機驅動器，需要使用外部柵極電阻來減慢柵極電流，從而獲得所需的 MOSFET 開關速度。VDS 轉換率控制可幫助將外部元件減少多達 24 個，因為拉電流和灌電流可通過 SPI 進行配置，并且內部柵極至源極無源下拉電阻已集成到該器件中。大多數具有 VDS 轉換率控制技術的驅動器都提供 SPI 配置，允許動態調整柵極電流，而無需更改任何硬件。這有助于縮短設計時間并提高易用性和可擴展性。

DRV8334 柵極驅動功能

DRV8334 提供的功能包括更高的柵極電流粒度（45 步）、可調節的柵極電流持續時間、關斷預放電功能（能夠使用更高的柵極電流更快地對柵極電壓進行放電，直到在 PWM 運行期間達到米勒平臺區），以及故障軟關斷功能（可以在發生故障時減少驅動器關斷時的電感尖峰）。

更高的柵極電流粒度級別

與以前的器件相比，具有最大柵極電流粒度的器件可為灌電流提供 16 種不同的柵極電流（IDRIVE 設置），可為拉電流提供 16 種不同的 IDRIVE 設置。對于 DRV8334，柵極灌電流有 45 種不同的 IDRIVE 設置，柵極拉電流有 45 種不同的 IDRIVE 設置。提高柵極電流粒度的優勢之一是，可以更好地微調柵極電流，從而在 EMI 和開關損耗之間找到最優解。這還可以降低需要柵極電阻器來調節柵極電流以獲得兩個設置之間電流的可能性。

該器件的另一個特性是，柵極拉電流和灌電流可以設置為低至 0.75mA 以驅動小型 Qgd MOSFET，還能夠設置高達 1000mA 的拉電流和高達 2000mA 的灌電流，以便能夠驅動更大的 Qgd MOSFET 和并聯 MOSFET。

0.75mA 和 247mA 之間具有 36 級柵極電流可調節性，可提供出色的粒度，尤其是在柵極電流較低時。這對于低 Qgd MOSFET 尤其重要，因為柵極電流的些許變化就會導致 MOSFET 轉換率發生顯著變化。

如何確定要使用哪個 IDRIVE 設置？

MOSFET 開關的關鍵區域是漏源電壓 (VDS) 發生變化時的區域，因為這是 MOSFET 開關期間產生 EMI 的主要因素。這需要在 MOSFET VDS 電壓開關速度和系統中可接受的 EMI 量之間進行權衡。

從一開始就了解目標 MOSFET VDS 轉換率有助于確定可以使用哪個 IDRIVE 設置。通常，優先選擇目標是較慢的柵極驅動電流，如果 EMI 良好，則應增大該電流。

如果目標 MOSFET VDS 導通時間為 300ns，目標 MOSFET VDS 關斷時間為 150ns，則可以通過獲取 MOSFET Qgd 并除以 MOSFET VDS 變化時間來估算實現該 VDS 變化時間所需的 IDRIVE 強度。Qgd 是 MOSFET Qgd 電荷，T_{VDS_SLEW} 是 VDS 開關時間。

請注意，計算得出的 IDRIVE 值可能與其中一個可用設置不完全相同，但您可以選擇最接近的可用設置（本例中為 18mA）。

可調 IDRIVE 持續時間

借助 DRV8334 可配置在 MOSFET 開關期間施加 IDRIVE 電流的持續時間。通過 SPI 配置 TDRVP 和 TDRVN 位可完成此操作。在到達 TDRVP 或 TDRVN 時間后，驅動器會根據 IHOLD_SEL 位的寄存器配置，切換到 500mA/1000mA 上拉/下拉電流，或 260mA/260mA IHOLD 上拉/下拉電流的保持電流。

這種可調的柵極電流持續時間可幫助實現更多優化，以便驅動器可以通過米勒平臺區提供所需的柵極電流，然后在米勒平臺區完成后切換到 IHOLD 電流。TDRVP 是施加 MOSFET VDS 壓擺電流進行 MOSFET 導通的時間，TDRVN 是施加 MOSFET VDS 壓擺電流進行 MOSFET 關斷的時間。可以選擇 TDRVP 和 TDRVN，以便柵極拉電流和灌電流在米勒平臺區的整個持續時間內持續存在。如果 TDRVP 或 TRVN 設置得過短，則會導致驅動器在 MOSFET 的 VDS 完成壓擺之前切換到 IHOLD 電流，這可能導致 EMI 增加，因為與 IDRVN 和 IDRVP 電流相比，IHOLD 電流可能更強。如果正確設置 TDRVN，則在米勒平臺區完成后，可以通過強大的 IHOLD 電流縮短 MOSFET 柵極節點的放電時間。這有助于縮短死區時間并降低開關損耗。

關斷預放電電流

DRV8334 的一個關鍵功能是關斷預放電。借助該功能，您可以對 MOSFET 柵極電荷進行快速放電，直至達到米勒平臺區，然后在 VDS 電壓發生變化的 MOSFET 的米勒平臺區期間減慢速度。這樣可以更快地對 MOSFET 進行整體關斷，同時不會在關鍵米勒平臺區影響 EMI 性能。

該功能的一個優勢是，因為 MOSFET 的總關斷時間較短，因此它允許以更高的占空比運行。MOSFET 開關以及自舉充電時間可能是高占空比下的限制因素，因此縮短 MOSFET 的開關時間可以提高性能。

關斷預放電功能的第二個優勢是，它有助于縮短 MOSFET 放電期間在進入米勒平臺區之前，在較高 RDS(ON) 區域中花費的時間，從而有助于降低開關損耗。關斷預放電的工作原理是，將某些寄存器設置配置為在關斷 MOSFET 時在可配置的時間內，使用較高的柵極灌電流，然后在經過該時間后，驅動器會通過對 EMI 至關重要的米勒平臺區切換到較低的柵極驅動電流。

如何配置關斷預放電設置？

可以在 GD_CTRL3B 寄存器中通過 SPI 配置關斷預放電電流強度，可以使用 TDRVN_D 在 GD_CTRL2 寄存器中配置施加關斷預放電電流的持續時間。該持續時間需要足夠長，以便柵極電壓盡可能在米勒平臺區附近放電，但它必須足夠短，才能在進入米勒平臺區之前切換到常規放電電流。如果 TDRVN_D 設置得太長，可能會導致使用更高的關斷預放電電流來關斷米勒區域中的柵極，從而導致更高的 EMI 和振鈴。最好從較短的 TDRVN_D 時間開始，然后根據需要增加該時間，從而確保從關斷預放電電流到放電電流的轉換發生在進入米勒平臺區之前。

下面通過粗略計算來演示如何選擇合適的 TDRVN_D 時間：

考慮到跨電壓和溫度運行，可以在測試期間根據需要進一步調整關斷預放電時間。請記住，MOSFET Qg 通常指定為 10V，但當 MOSFET VGS 電壓約為 12V 時，實際 Qg 會更高。

如何配置故障軟關斷？

與故障軟關斷功能相關的主要配置設置是軟關斷電流。這是在發生電機驅動器故障時用于關斷 MOSFET 的柵極電流。可以在 GD_CTRL3 寄存器 (0x21) 中根據 IDRVN_SD 設置配置該電流。

使用與之前相同的公式，其中：

DRV8334 仍具有在執行故障軟關斷過程時使用的關斷預放電功能。這樣，MOSFET 柵極電荷可以更快地放電，直至達到米勒平臺區，然后切換到低得多的電流，以便在 VDS 電壓變化區域緩慢關斷 MOSFET。故障軟關斷期間使用的關斷預放電電流與在 GD_CTRL3B 寄存器 (0x22) 中編程的電流相同，但可以選擇配置在故障軟關斷事件期間施加關斷預放電電流的不同持續時間。這可以在 GD_CTRL3 寄存器中使用 TDRVN_SDD 位進行配置。

總結

借助 DRV8334 的集成柵極驅動功能，用戶就能夠更精確地調優 MOSFET 的開關曲線，以提供更加優化的開關性能，從而縮短死區時間、降低開關功率損耗、改善 EMI 和降低電感尖峰，進而提供更穩健的電機驅動器解決方案。