1 TI 技術手冊

引言

無刷直流 (BLDC) 電機由于其高效率、高運行速度、高單位體積磁通密度、緊湊尺寸、低維護要求和電磁干擾 (EMI) 問題小而日漸普及。因此，BLDC 電機在各種應用中逐漸取代有刷直流 (BDC) 電機，例如電器、電動汽車、醫療應用、暖通空調 (HVAC)、運動控制和機器人技術等應用。BLDC 電機是一款三相同步電機，其定子由三相繞組（梯形 BLDC 電機采用集中繞組，正弦 BLDC 電機采用正弦分布繞組）和具有永磁體的轉子組成（在外轉子 PM 電機中反之亦然）。BLDC 電機沒有機械電刷和換向器組件，因此，可避免電刷磨損、火花和 EMI 等與 BDC 電機相關的問題。這種電機也稱為電子換向電機，因為使用的是基于轉子位置的電子換向，而不是機械換向。通常使用霍爾效應位置傳感器來感應 BLDC 電機的轉子位置。

人們已經開發出許多用于控制 BLDC 電機的控制算法。這些算法通常根據 BLDC 電機的類型（梯形或正弦形）、位置傳感器要求（有傳感器或無傳感器）以及速度和轉矩（電流）控制要求進行分類。隨著當今微控制器容量的增加，業內正在擴展諸如磁場定向控制 (FOC) 之類的高端控制算法的實現范圍。實施 FOC 算法可讓 BLDC 電機通過快速的動態響應（面對負載和速度變化具有更好的動態性能）更高效（高功率因數和更高的輕負載效率）、更平穩（降低轉矩紋波）地運行。FOC 控制使定子和轉子的磁場彼此正交，從而實現最大的電磁轉矩。通過采用磁通和轉矩的解耦控制，還可使電機的弱磁運行速度高于標稱速度。

三相 BLDC 電機需要一個三相電壓源逆變器 (VSI) 為電機提供交流電流。該 VSI 的開關通常采用由柵極驅動器驅動、適用于低壓應用的場效應晶體管 (FET)，或適用于高功率應用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。當今大多數可用的柵極驅動器都需要使用外部柵極元件（電阻和齊納二極管）來進行操作和提供保護。但是，采用 TI 的智能柵極驅動 (SGD) 技術后則無需使用外部柵極元件，如圖 1-1 中所示。借助其可調節柵極驅動電流（柵極壓擺率控制），SGD 架構可靈活地減少電磁干擾 (EMI)。SGD 架構可優化死區時間，提高效率，同時充分保護 FET 免遭擊穿，還添加了強下拉電流來防止任何雜散 dv/dt 柵極導通。

DRV8304 器件是一款基于 TI 智能柵極驅動 (SGD) 架構的三相柵極驅動器。該器件的最大工作電壓為 38V，針對 12V 和 24V BLDC 電機 FOC 應用進行了全面優化。DRV8304 支持外部 N 溝道高側和低側功率 MOSFET，可驅動高達 150mA 的拉電流、300mA 的峰值灌電流和 15mA 的平均輸出電流。DRV8304 是一款高度集成的器件，包括柵極驅動器電源（高側電荷泵和低側線性穩壓器）、三個電流感應放大器 (CSA) 和一個 3.3V、30mA 穩壓器，用于為外部控制器供電。

DRV8304 中的集成電流感應放大器 (CSA) 用于感應 BLDC 電機的三相電流，幫助打造出色的 FOC 和電流控制系統方案。5、10、20 和 40V/V 的可調增益設置支持用戶靈活選擇適合終端應用的理想感應電阻器。CSA 還可以配置為感應單向電流，該電流可用于實現梯形 BLDC 電機的限流控制。DRV8304 中的 CSA 包含 AUTOCAL 功能，該功能可在上電后自動校準 CSA 的失調電壓誤差，從而實現精確的電流感應。

DRV8304 提供了各種 PWM 模式，因而是一款易于連接的驅動器。用戶可靈活地為 FOC（或正弦電流控制）選擇 6x 或 3x 模式，為具有片上區塊轉換功能的梯形電流控制選擇 1x 模式，為驅動螺線管繼電器選擇獨立模式。高級別保護功能集使該器件在任何操作場景下均無懈可擊。這些功能包括電源欠壓鎖定 (UVLO)、電荷泵欠壓鎖定 (CPUV)、VDS 過電流監視 (OCP)、柵極驅動器短路檢測 (GDF) 和過熱關斷 (OTSD)，并通過 nFAULT 引腳指示故障事件。下文總結了使 DRV8304 適用于 BLDC 電機 FOC 應用的一系列功能。

• 針對 12V 和 24V BLDC 電機優化的驅動器絕對最大電壓 (40V)
• 具有 4 種增益選項設置、用于三相 BLDC 電機電流感應的三通道 CSA
• AUTOCAL 功能可減少 CSA 輸入失調電壓誤差，因而改善電機旋轉抖動性能
• 高工作開關頻率，可改善噪聲性能
• 可調壓擺率，可優化 EMI 性能
• 死區時間非常短，可提高開關效率
• 傳播延遲超低，可提高脈沖控制精度并加快動態響應
• 高度集成的驅動器和小尺寸封裝，可減小電路板面積
• 高級片上保護功能和診斷

備選器件建議

根據必要的系統要求，還可通過其他器件提供所需的性能和功能。對于需要詳細診斷和跛行回家模式支持的應用，建議使用 DRV8305。在需要更高工作電壓（例如由 36V 電池供電）的應用中，宜選擇 DRV832x。