ZHCAFL8 August 2025 DRV8334
簡介
DRV8334 提供各種可通過 SPI 進(jìn)行配置的柵極驅(qū)動功能，可以幫助解決與縮短死區(qū)時間，減少 EMI、電感尖峰和功率損耗相關(guān)的難題。高效地開關(guān) MOSFET 是降低 MOSFET 開關(guān)損耗的關(guān)鍵，但是，還必須采取相應(yīng)措施來減少 MOSFET 開關(guān)期間柵極和源極上可能出現(xiàn)的振鈴。本應(yīng)用簡報探討了 TI 的 DRV8334 集成式柵極驅(qū)動技術(shù)的各項功能，以及如何使用這項技術(shù)來應(yīng)對各種設(shè)計挑戰(zhàn)。
VDS 轉(zhuǎn)換率控制
VDS 轉(zhuǎn)換率控制 (IDRIVE) 是 TI 許多 BLDC 電機驅(qū)動器提供的一項功能。VDS 轉(zhuǎn)換率控制可提供通過選擇所需設(shè)置來調(diào)整驅(qū)動器柵極電流強度的功能。這樣，您就能夠根據(jù)特定 MOSFET 參數(shù)，調(diào)整柵極驅(qū)動灌電流和拉電流，從而更改 MOSFET 開關(guān)速度。這有助于優(yōu)化 EMI 和開關(guān)速度之間的平衡。對于具有固定柵極電流的電機驅(qū)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(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，因為拉電流和灌電流可通過 SPI 進(jìn)行配置，并且內(nèi)部柵極至源極無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)動器都提供 SPI 配置，允許動態(tài)調(diào)整柵極電流，而無需更改任何硬件。這有助于縮短設(shè)計時間并提高易用性和可擴(kuò)展性。
DRV8334 柵極驅(qū)動功能
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柵極電壓進(jìn)行放電，直到在 PWM 運行期間達(dá)到米勒平臺區(qū)），以及故障軟關(guān)斷功能（可以在發(fā)生故障時減少驅(qū)動器關(guān)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(shè)置），可為拉電流提供 16 種不同的 IDRIVE 設(shè)置。對于 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)勢之一是，可以更好地微調(diào)柵極電流，從而在 EMI 和開關(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調(diào)節(jié)柵極電流以獲得兩個設(shè)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(shè)置為低至 0.75mA 以驅(qū)動小型 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)動更大的 Qgd MOSFET 和并聯(lián) MOSFET。
0.75mA 和 247mA 之間具有 36 級柵極電流可調(diào)節(jié)性，可提供出色的粒度，尤其是在柵極電流較低時。這對于低 Qgd MOSFET 尤其重要，因為柵極電流的些許變化就會導(dǎo)致 MOSFET 轉(zhuǎn)換率發(fā)生顯著變化。
如何確定要使用哪個 IDRIVE 設(shè)置？
MOSFET 開關(guān)的關(guān)鍵區(qū)域是漏源電壓 (VDS) 發(fā)生變化時的區(qū)域，因為這是 MOSFET 開關(guān)期間產(chǎn)生 EMI 的主要因素。這需要在 MOSFET VDS 電壓開關(guān)速度和系統(tǒng)中可接受的 EMI 量之間進(jìn)行權(quán)衡。
從一開始就了解目標(biāo) MOSFET VDS 轉(zhuǎn)換率有助于確定可以使用哪個 IDRIVE 設(shè)置。通常，優(yōu)先選擇目標(biāo)是較慢的柵極驅(qū)動電流，如果 EMI 良好，則應(yīng)增大該電流。
如果目標(biāo) MOSFET VDS 導(dǎo)通時間為 300ns，目標(biāo) MOSFET VDS 關(guān)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(xiàn)該 VDS 變化時間所需的 IDRIVE 強度。Qgd 是 MOSFET Qgd 電荷，TVDS_SLEW 是 VDS 開關(guān)時間。
請注意，計算得出的 IDRIVE 值可能與其中一個可用設(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)時間
借助 DRV8334 可配置在 MOSFET 開關(guān)期間施加 IDRIVE 電流的持續(xù)時間。通過 SPI 配置 TDRVP 和 TDRVN 位可完成此操作。在到達(dá) TDRVP 或 TDRVN 時間后，驅(qū)動器會根據(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)時間可幫助實現(xiàn)更多優(yōu)化，以便驅(qū)動器可以通過米勒平臺區(qū)提供所需的柵極電流，然后在米勒平臺區(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)通的時間，TDRVN 是施加 MOSFET VDS 壓擺電流進(jìn)行 MOSFET 關(guān)斷的時間?？梢赃x擇 TDRVP 和 TDRVN，以便柵極拉電流和灌電流在米勒平臺區(qū)的整個持續(xù)時間內(nèi)持續(xù)存在。如果 TDRVP 或 TRVN 設(shè)置得過短，則會導(dǎo)致驅(qū)動器在 MOSFET 的 VDS 完成壓擺之前切換到 IHOLD 電流，這可能導(dǎo)致 EMI 增加，因為與 IDRVN 和 IDRVP 電流相比，IHOLD 電流可能更強。如果正確設(shè)置 TDRVN，則在米勒平臺區(qū)完成后，可以通過強大的 IHOLD 電流縮短 MOSFET 柵極節(jié)點的放電時間。這有助于縮短死區(qū)時間并降低開關(guān)損耗。
關(guān)斷預(yù)放電電流
DRV8334 的一個關(guān)鍵功能是關(guān)斷預(yù)放電。借助該功能，您可以對 MOSFET 柵極電荷進(jìn)行快速放電，直至達(dá)到米勒平臺區(qū)，然后在 VDS 電壓發(fā)生變化的 MOSFET 的米勒平臺區(qū)期間減慢速度。這樣可以更快地對 MOSFET 進(jìn)行整體關(guān)斷，同時不會在關(guān)鍵米勒平臺區(qū)影響 EMI 性能。
圖 1 未啟用關(guān)斷預(yù)放電時的柵極放電
圖 2 啟用關(guān)斷預(yù)放電后的柵極放電該功能的一個優(yōu)勢是，因為 MOSFET 的總關(guān)斷時間較短，因此它允許以更高的占空比運行。MOSFET 開關(guān)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(guān)時間可以提高性能。
關(guān)斷預(yù)放電功能的第二個優(yōu)勢是，它有助于縮短 MOSFET 放電期間在進(jìn)入米勒平臺區(qū)之前，在較高 RDS(ON) 區(qū)域中花費的時間，從而有助于降低開關(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 時在可配置的時間內(nèi)，使用較高的柵極灌電流，然后在經(jīng)過該時間后，驅(qū)動器會通過對 EMI 至關(guān)重要的米勒平臺區(qū)切換到較低的柵極驅(qū)動電流。
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 SPI 配置關(guān)斷預(yù)放電電流強度，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)時間。該持續(xù)時間需要足夠長，以便柵極電壓盡可能在米勒平臺區(qū)附近放電，但它必須足夠短，才能在進(jìn)入米勒平臺區(qū)之前切換到常規(guī)放電電流。如果 TDRVN_D 設(shè)置得太長，可能會導(dǎo)致使用更高的關(guān)斷預(yù)放電電流來關(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 時間開始，然后根據(jù)需要增加該時間，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)入米勒平臺區(qū)之前。
下面通過粗略計算來演示如何選擇合適的 TDRVN_D 時間：
| 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行，可以在測試期間根據(jù)需要進(jìn)一步調(diào)整關(guān)斷預(yù)放電時間。請記住，MOSFET Qg 通常指定為 10V，但當(dāng) MOSFET VGS 電壓約為 12V 時，實際 Qg 會更高。
故障軟關(guān)斷
故障軟關(guān)斷是 DRV8334 的一項功能，可在發(fā)生故障時使用。當(dāng)在 DRVOFF 被拉高時關(guān)斷驅(qū)動器輸出時，也可使用此功能。如果發(fā)生故障，導(dǎo)致高電機電流流過分流器（可能是由于擊穿情況），那么，大電流會導(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)擊穿電流的時間較長。可借助 DRV8334 的一項功能來配置發(fā)生故障響應(yīng)時使用的較低柵極驅(qū)動灌電流。這提供了較慢的 MOSFET 關(guān)斷時間，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)生電機驅(qū)動器故障時用于關(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)斷過程時使用的關(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)動功能，用戶就能夠更精確地調(diào)優(yōu) MOSFET 的開關(guān)曲線，以提供更加優(yōu)化的開關(guān)性能，從而縮短死區(qū)時間、降低開關(guān)功率損耗、改善 EMI 和降低電感尖峰，進(jìn)而提供更穩(wěn)健的電機驅(qū)動器解決方案。