ZHCAFL8 August 2025 DRV8334
簡(jiǎn)介
DRV8334 提供各種可通過(guò) SPI 進(jìn)行配置的柵極驅(qū)動(dòng)功能，可以幫助解決與縮短死區(qū)時(shí)間，減少 EMI、電感尖峰和功率損耗相關(guān)的難題。高效地開(kāi)關(guān) MOSFET 是降低 MOSFET 開(kāi)關(guān)損耗的關(guān)鍵，但是，還必須采取相應(yīng)措施來(lái)減少 MOSFET 開(kāi)關(guān)期間柵極和源極上可能出現(xiàn)的振鈴。本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)探討了 TI 的 DRV8334 集成式柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的各項(xiàng)功能，以及如何使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
VDS 轉(zhuǎn)換率控制
VDS 轉(zhuǎn)換率控制 (IDRIVE) 是 TI 許多 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供的一項(xiàng)功能。VDS 轉(zhuǎn)換率控制可提供通過(guò)選擇所需設(shè)置來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器柵極電流強(qiáng)度的功能。這樣，您就能夠根據(jù)特定 MOSFET 參數(shù)，調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)灌電流和拉電流，從而更改 MOSFET 開(kāi)關(guān)速度。這有助于優(yōu)化 EMI 和開(kāi)關(guān)速度之間的平衡。對(duì)于具有固定柵極電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，需要使用外部柵極電阻來(lái)減慢柵極電流，從而獲得所需的 MOSFET 開(kāi)關(guān)速度。VDS 轉(zhuǎn)換率控制可幫助將外部元件減少多達(dá) 24 個(gè)，因?yàn)槔娏骱凸嚯娏骺赏ㄟ^(guò) SPI 進(jìn)行配置，并且內(nèi)部柵極至源極無(wú)源下拉電阻已集成到該器件中。大多數(shù)具有 VDS 轉(zhuǎn)換率控制技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器都提供 SPI 配置，允許動(dòng)態(tài)調(diào)整柵極電流，而無(wú)需更改任何硬件。這有助于縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并提高易用性和可擴(kuò)展性。
DRV8334 柵極驅(qū)動(dòng)功能
DRV8334 提供的功能包括更高的柵極電流粒度（45 步）、可調(diào)節(jié)的柵極電流持續(xù)時(shí)間、關(guān)斷預(yù)放電功能（能夠使用更高的柵極電流更快地對(duì)柵極電壓進(jìn)行放電，直到在 PWM 運(yùn)行期間達(dá)到米勒平臺(tái)區(qū)），以及故障軟關(guān)斷功能（可以在發(fā)生故障時(shí)減少驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷時(shí)的電感尖峰）。
更高的柵極電流粒度級(jí)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(shè)置），可為拉電流提供 16 種不同的 IDRIVE 設(shè)置。對(duì)于 DRV8334，柵極灌電流有 45 種不同的 IDRIVE 設(shè)置，柵極拉電流有 45 種不同的 IDRIVE 設(shè)置。提高柵極電流粒度的優(yōu)勢(shì)之一是，可以更好地微調(diào)柵極電流，從而在 EMI 和開(kāi)關(guān)損耗之間找到最優(yōu)解。這還可以降低需要柵極電阻器來(lái)調(diào)節(jié)柵極電流以獲得兩個(gè)設(shè)置之間電流的可能性。
該器件的另一個(gè)特性是，柵極拉電流和灌電流可以設(shè)置為低至 0.75mA 以驅(qū)動(dòng)小型 Qgd MOSFET，還能夠設(shè)置高達(dá) 1000mA 的拉電流和高達(dá) 2000mA 的灌電流，以便能夠驅(qū)動(dòng)更大的 Qgd MOSFET 和并聯(lián) MOSFET。
0.75mA 和 247mA 之間具有 36 級(jí)柵極電流可調(diào)節(jié)性，可提供出色的粒度，尤其是在柵極電流較低時(shí)。這對(duì)于低 Qgd MOSFET 尤其重要，因?yàn)闁艠O電流的些許變化就會(huì)導(dǎo)致 MOSFET 轉(zhuǎn)換率發(fā)生顯著變化。
如何確定要使用哪個(gè) IDRIVE 設(shè)置？
MOSFET 開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵區(qū)域是漏源電壓 (VDS) 發(fā)生變化時(shí)的區(qū)域，因?yàn)檫@是 MOSFET 開(kāi)關(guān)期間產(chǎn)生 EMI 的主要因素。這需要在 MOSFET VDS 電壓開(kāi)關(guān)速度和系統(tǒng)中可接受的 EMI 量之間進(jìn)行權(quán)衡。
從一開(kāi)始就了解目標(biāo) MOSFET VDS 轉(zhuǎn)換率有助于確定可以使用哪個(gè) IDRIVE 設(shè)置。通常，優(yōu)先選擇目標(biāo)是較慢的柵極驅(qū)動(dòng)電流，如果 EMI 良好，則應(yīng)增大該電流。
如果目標(biāo) MOSFET VDS 導(dǎo)通時(shí)間為 300ns，目標(biāo) MOSFET VDS 關(guān)斷時(shí)間為 150ns，則可以通過(guò)獲取 MOSFET Qgd 并除以 MOSFET VDS 變化時(shí)間來(lái)估算實(shí)現(xiàn)該 VDS 變化時(shí)間所需的 IDRIVE 強(qiáng)度。Qgd 是 MOSFET Qgd 電荷，TVDS_SLEW 是 VDS 開(kāi)關(guān)時(shí)間。
請(qǐng)注意，計(jì)算得出的 IDRIVE 值可能與其中一個(gè)可用設(shè)置不完全相同，但您可以選擇最接近的可用設(shè)置（本例中為 18mA）。
可調(diào) IDRIVE 持續(xù)時(shí)間
借助 DRV8334 可配置在 MOSFET 開(kāi)關(guān)期間施加 IDRIVE 電流的持續(xù)時(shí)間。通過(guò) SPI 配置 TDRVP 和 TDRVN 位可完成此操作。在到達(dá) TDRVP 或 TDRVN 時(shí)間后，驅(qū)動(dòng)器會(huì)根據(jù) 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(diào)的柵極電流持續(xù)時(shí)間可幫助實(shí)現(xiàn)更多優(yōu)化，以便驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)米勒平臺(tái)區(qū)提供所需的柵極電流，然后在米勒平臺(tái)區(qū)完成后切換到 IHOLD 電流。TDRVP 是施加 MOSFET VDS 壓擺電流進(jìn)行 MOSFET 導(dǎo)通的時(shí)間，TDRVN 是施加 MOSFET VDS 壓擺電流進(jìn)行 MOSFET 關(guān)斷的時(shí)間?？梢赃x擇 TDRVP 和 TDRVN，以便柵極拉電流和灌電流在米勒平臺(tái)區(qū)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)持續(xù)存在。如果 TDRVP 或 TRVN 設(shè)置得過(guò)短，則會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器在 MOSFET 的 VDS 完成壓擺之前切換到 IHOLD 電流，這可能導(dǎo)致 EMI 增加，因?yàn)榕c IDRVN 和 IDRVP 電流相比，IHOLD 電流可能更強(qiáng)。如果正確設(shè)置 TDRVN，則在米勒平臺(tái)區(qū)完成后，可以通過(guò)強(qiáng)大的 IHOLD 電流縮短 MOSFET 柵極節(jié)點(diǎn)的放電時(shí)間。這有助于縮短死區(qū)時(shí)間并降低開(kāi)關(guān)損耗。
關(guān)斷預(yù)放電電流
DRV8334 的一個(gè)關(guān)鍵功能是關(guān)斷預(yù)放電。借助該功能，您可以對(duì) MOSFET 柵極電荷進(jìn)行快速放電，直至達(dá)到米勒平臺(tái)區(qū)，然后在 VDS 電壓發(fā)生變化的 MOSFET 的米勒平臺(tái)區(qū)期間減慢速度。這樣可以更快地對(duì) MOSFET 進(jìn)行整體關(guān)斷，同時(shí)不會(huì)在關(guān)鍵米勒平臺(tái)區(qū)影響 EMI 性能。
圖 1 未啟用關(guān)斷預(yù)放電時(shí)的柵極放電
圖 2 啟用關(guān)斷預(yù)放電后的柵極放電該功能的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，因?yàn)?MOSFET 的總關(guān)斷時(shí)間較短，因此它允許以更高的占空比運(yùn)行。MOSFET 開(kāi)關(guān)以及自舉充電時(shí)間可能是高占空比下的限制因素，因此縮短 MOSFET 的開(kāi)關(guān)時(shí)間可以提高性能。
關(guān)斷預(yù)放電功能的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它有助于縮短 MOSFET 放電期間在進(jìn)入米勒平臺(tái)區(qū)之前，在較高 RDS(ON) 區(qū)域中花費(fèi)的時(shí)間，從而有助于降低開(kāi)關(guān)損耗。關(guān)斷預(yù)放電的工作原理是，將某些寄存器設(shè)置配置為在關(guān)斷 MOSFET 時(shí)在可配置的時(shí)間內(nèi)，使用較高的柵極灌電流，然后在經(jīng)過(guò)該時(shí)間后，驅(qū)動(dòng)器會(huì)通過(guò)對(duì) EMI 至關(guān)重要的米勒平臺(tái)區(qū)切換到較低的柵極驅(qū)動(dòng)電流。
如何配置關(guān)斷預(yù)放電設(shè)置？
可以在 GD_CTRL3B 寄存器中通過(guò) SPI 配置關(guān)斷預(yù)放電電流強(qiáng)度，可以使用 TDRVN_D 在 GD_CTRL2 寄存器中配置施加關(guān)斷預(yù)放電電流的持續(xù)時(shí)間。該持續(xù)時(shí)間需要足夠長(zhǎng)，以便柵極電壓盡可能在米勒平臺(tái)區(qū)附近放電，但它必須足夠短，才能在進(jìn)入米勒平臺(tái)區(qū)之前切換到常規(guī)放電電流。如果 TDRVN_D 設(shè)置得太長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致使用更高的關(guān)斷預(yù)放電電流來(lái)關(guān)斷米勒區(qū)域中的柵極，從而導(dǎo)致更高的 EMI 和振鈴。最好從較短的 TDRVN_D 時(shí)間開(kāi)始，然后根據(jù)需要增加該時(shí)間，從而確保從關(guān)斷預(yù)放電電流到放電電流的轉(zhuǎn)換發(fā)生在進(jìn)入米勒平臺(tái)區(qū)之前。
下面通過(guò)粗略計(jì)算來(lái)演示如何選擇合適的 TDRVN_D 時(shí)間：
| 關(guān)斷預(yù)放電電流設(shè)置 | VDS 轉(zhuǎn)換率控制關(guān)斷電流設(shè)置 | MOSFET Qg（總 MOSFET 電荷） | MOSFET Qgd（MOSFET 柵漏電荷） | MOSFET Qgs（MOSFET 柵源電荷） |
|---|---|---|---|---|
| 247mA | 88mA | 180nC | 34nC | 78nC |
考慮到跨電壓和溫度運(yùn)行，可以在測(cè)試期間根據(jù)需要進(jìn)一步調(diào)整關(guān)斷預(yù)放電時(shí)間。請(qǐng)記住，MOSFET Qg 通常指定為 10V，但當(dāng) MOSFET VGS 電壓約為 12V 時(shí)，實(shí)際 Qg 會(huì)更高。
故障軟關(guān)斷
故障軟關(guān)斷是 DRV8334 的一項(xiàng)功能，可在發(fā)生故障時(shí)使用。當(dāng)在 DRVOFF 被拉高時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器輸出時(shí)，也可使用此功能。如果發(fā)生故障，導(dǎo)致高電機(jī)電流流過(guò)分流器（可能是由于擊穿情況），那么，大電流會(huì)導(dǎo)致低側(cè)源上產(chǎn)生較大的電感尖峰，從而導(dǎo)致絕對(duì)最大值違規(guī)和可能的元件損壞。為了減少這些大電壓尖峰，減慢 MOSFET 的關(guān)斷速度可以降低這些大電壓尖峰的嚴(yán)重程度。這樣做的缺點(diǎn)是，以較慢的速度關(guān)斷 MOSFET 意味著在 MOSFET 關(guān)斷之前出現(xiàn)擊穿電流的時(shí)間較長(zhǎng)。可借助 DRV8334 的一項(xiàng)功能來(lái)配置發(fā)生故障響應(yīng)時(shí)使用的較低柵極驅(qū)動(dòng)灌電流。這提供了較慢的 MOSFET 關(guān)斷時(shí)間，以降低故障條件下由于流經(jīng)分流器的高電流而可能引起的任何電感瞬變的嚴(yán)重程度。
圖 3 DRV8334 故障軟關(guān)斷如何配置故障軟關(guān)斷？
與故障軟關(guān)斷功能相關(guān)的主要配置設(shè)置是軟關(guān)斷電流。這是在發(fā)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)用于關(guān)斷 MOSFET 的柵極電流?？梢栽?GD_CTRL3 寄存器 (0x21) 中根據(jù) IDRVN_SD 設(shè)置配置該電流。
使用與之前相同的公式，其中：
DRV8334 仍具有在執(zhí)行故障軟關(guān)斷過(guò)程時(shí)使用的關(guān)斷預(yù)放電功能。這樣，MOSFET 柵極電荷可以更快地放電，直至達(dá)到米勒平臺(tái)區(qū)，然后切換到低得多的電流，以便在 VDS 電壓變化區(qū)域緩慢關(guān)斷 MOSFET。故障軟關(guān)斷期間使用的關(guān)斷預(yù)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(guān)斷事件期間施加關(guān)斷預(yù)放電電流的不同持續(xù)時(shí)間。這可以在 GD_CTRL3 寄存器中使用 TDRVN_SDD 位進(jìn)行配置。
總結(jié)
借助 DRV8334 的集成柵極驅(qū)動(dòng)功能，用戶(hù)就能夠更精確地調(diào)優(yōu) MOSFET 的開(kāi)關(guān)曲線(xiàn)，以提供更加優(yōu)化的開(kāi)關(guān)性能，從而縮短死區(qū)時(shí)間、降低開(kāi)關(guān)功率損耗、改善 EMI 和降低電感尖峰，進(jìn)而提供更穩(wěn)健的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案。