DRV8311三相PWM无刷直流电机驱动器

1 特性

• 三相 PWM 电机驱动器
– 三相无刷直流电机
• 3V 至 20V 工作电压
– 24V 绝对最大电压
• 高输出电流能力
– 5A 峰值电流驱动能力
• 低导通状态电阻 MOSFET
– TA = 25°C 时，RDS(ON) (HS + LS) 为210mΩ（典型值）
• 低功耗睡眠模式
– 1.5µA（VVM = 12V，TA = 25°C）
• 多种控制接口选项
– 6x PWM 控制接口
– 3x PWM 控制接口
– 在 MCU 和 DRV8311 之间具有可选校准功能的PWM 生成模式 (SPI/tSPI)
• tSPI 接口 (DRV8311P)
– 可通过 SPI 进行 PWM 占空比和频率更新
– 使用标准 4 线 SPI 接口控制多个 DRV8311P 器件
• 支持高达 200kHz 的 PWM 频率
• 集成电流感测
– 无需外部电阻
– 感测放大器输出，每个半桥一个
• SPI 和硬件器件型号
– 10 MHz SPI 通信 (SPI/tSPI)
• 支持 1.8V、3.3V 和 5V 逻辑输入
• 内置 3.3V ± 4.5%、100 mA LDO 稳压器
• 集成保护特性
– VM 欠压锁定 (UVLO)
– 电荷泵欠压 (CPUV)
– 过流保护 (OCP)
– 热警告和热关断 (OTW/OTSD)
– 故障条件指示引脚 (nFAULT)

2 应用

• 无刷直流 (BLDC) 电机模块
• 无人机和手持设备万向节
• 咖啡机
• 扫地机器人
• 洗衣机和烘干机泵
• 笔记本电脑、台式机和服务器风扇

3 说明

DRV8311 提供了三个集成式 MOSFET 半 H 桥，用于驱动三相无刷直流 (BLDC) 电机，适用于 5V、9V、12V 或 18V 直流电源轨或 1S 至 4S 电池供电应用。该器件集成了三个具有集成电流感测功能的电流感测放大器 (CSA)，可感测 BLDC 电机的三相电流，从而实现出色的 FOC 和电流控制系统实现方案。
DRV8311P 器件可通过德州仪器 (TI) SPI (tSPI) 生成和配置 PWM 计时器，并可以直接通过 tSPI 接口控制多个 BLDC 电机。该功能可减少用于控制多个电机的初级控制器的 I/O 端口数量。

5 器件对比表

器件	封装	接口	nSLEEP 输入
DRV8311P	24 引脚 WQFN （3 mm x 3 mm）	SPI / tSPI	是
DRV8311S		SPI	NO
DRV8311H		硬件	是

6 引脚配置和功能

图 6-1.DRV8311S 24 引脚 WQFN，带外露导热垫顶视图

图 6-2.DRV8311H 24 引脚 WQFN，带外露导热垫顶视图

图 6-3.DRV8311P 24 引脚 WQFN，带外露导热垫顶视图

表 6-1.Pin 功能

管脚名称	DRV8311H	DRV8311P	DRV8311S	TYPE(1)	描述
AD0	—	15	—	I	仅在 tSPI 设备上DRV8311P。tSPI 的地址选择。
AD1	—	14	—	I	仅在 tSPI 设备上DRV8311P。tSPI 的地址选择。
AGND	16	16	16	PWR	设备模拟接地。连接到系统接地。
AVDD	17	17	17	PWR	3.3V 稳压器输出。在 AVDD 和 AGND 引脚之间连接一个 X5R 或 X7R、0.7μF 至 7μF、6.3V 陶瓷电容器。该稳压器可从外部提供高达 100 mA 的电流。
CP	6	6	6	PWR	电荷泵输出。在 VCP 和 VM 引脚之间连接一个 X5R 或 X7R、0.1μF、16V 陶瓷电容器。
CSAREF	2	2	2	PWR	电流检测放大器电源输入和基准。在 CSAREF 和 AGND 引脚之间连接一个 X5R 或 X7R、0.1μF、6.3V 陶瓷电容器。
GAIN	21	—	—	I	仅在硬件设备上 （DRV8311H）。电流检测放大器增益设置。该引脚是一个 4 电平输入引脚，由 GAIN 和 AVDD 或 AGND 之间的外部电阻器配置。
INHA	15	—	15	I	用于 OUTA 的高端驱动器控制输入。此引脚控制 6x/3x PWM 模式下高侧 MOSFET 的状态。
INHB	14	—	14	I	用于 OUTB 的高端驱动器控制输入。此引脚控制 6x/3x PWM 模式下高侧 MOSFET 的状态。
INHC	13	—	13	I	用于 OUTC 的高端驱动器控制输入。此引脚控制 6x/3x PWM 模式下高侧 MOSFET 的状态。
INLA	18	—	18	I	用于 OUTA 的低侧驱动器控制输入。此引脚控制 6x PWM 模式下低侧 MOSFET 的状态。
INLB	19	—	19	I	用于 OUTB 的低侧驱动器控制输入。此引脚控制 6x PWM 模式下低侧 MOSFET 的状态。
INLC	20	—	20	I	用于 OUTC 的低侧驱动器控制输入。此引脚控制 6x PWM 模式下低侧 MOSFET 的状态。
MODE	23	—	—	I	仅在硬件设备上 （DRV8311H）。PWM 模式设置。该引脚是一个 4 电平输入引脚，由 MODE 和 AVDD 或 AGND 之间的外部电阻器配置。
nFAULT	1	1	1	O	故障指示引脚。逻辑上拉, 低电平具有故障;开漏输出需要外部上拉至 AVDD。
nSCS	—	20	24	I	仅在 SPI （DRV8311S） 和 tSPI （DRV8311P） 设备上。串行片选。该引脚上的逻辑低电平使能串行接口通信 （SPI 器件）。
nSLEEP	24	24	—	I	仅在 DRV8311H 和 DRV8311P 设备上。当该引脚为逻辑低电平时，器件进入低功耗休眠模式。nSLEEP 引脚上的 15 至 50μs 低脉冲可用于在不进入睡眠模式的情况下重置故障条件。
OUTA	10	10	10	O	半桥输出 A. 连接到电机绕组。
OUTB	11	11	11	O	半桥输出 B. 连接到电机绕组。
OUTC	12	12	12	O	半桥输出 C. 连接到电机绕组。
PGND	9	9	9	PWR	设备电源接地。连接到系统接地。
PWM_SYNC	—	19	—	I	仅在 tSPI 设备上DRV8311P。连接到 MCU 信号，以在 PWM 生成模式下将内部生成的 PWM 信号从 DRV8311 同步到 MCU。
SCLK	—	23	23	I	仅在 SPI （DRV8311S） 和 tSPI （DRV8311P） 设备上。串行时钟输入。串行数据在 SCLK （SPI 器件） 的上升沿移出，并在 SCLK （SPI 器件） 的下降沿捕获。
SDI	—	22	22	I	仅在 SPI （DRV8311S） 和 tSPI （DRV8311P） 设备上。串行数据输入。数据在 SCLK 引脚 （SPI 器件） 的下降沿捕获。
SDO	—	21	21	O	仅在 SPI （DRV8311S） 和 tSPI （DRV8311P） 设备上。串行数据输出。数据在 SCLK 引脚的上升沿移出。
SLEW	22	—	—	I	仅在 DRV8311H 设备上。OUTx 电压转换速率控制设置。该引脚是一个 4 级输入引脚，由 SLEW 引脚和 AVDD 或 AGND 之间的外部电阻器设置。
SOA	5	5	5	O	用于 OUTA 的电流检测放大器输出。
SOB	4	4	4	O	用于 OUTB 的电流检测放大器输出。
SOC	3	3	3	O	用于 OUTC 的电流检测放大器输出。
VM	8	8	8	PWR	电机的电源。连接到电机电源电压。在 VM 和 PGND 之间连接一个 X5R 或 X7R、0.1-uF VM 级陶瓷旁路电容器以及一个 >=10-uF、VM 级大容量电容器。此外，在 VM 和 CP 引脚之间连接一个 X5R 或 X7R、0.1uF、16V 陶瓷电容器。
VIN_AVDD	7	7	7	PWR	为 AVDD 供电。在 VIN_AVDD 和 PGND 之间，使用 X5R 或 X7R、0.1uF、VIN_AVDD 级陶瓷电容器以及 >=10uF、VIN_AVDD 级额定大容量电容器旁路到 AGND。
Thermal pad				PWR	必须连接到 PGND。
NC	—	13,18	—	—	无连接。保持 pin 悬空。

（1） I = 输入，O = 输出，PWR = 电源，NC = 无连接
7.3 推荐操作条件
在工作环境温度范围内（除非另有说明）

符号	功能	引脚名称	最小	典型	最大	单位
VVM	Power supply voltage	VVM	3	12	20	V
VIN_AVDD	AVDD regulator input pin voltage	VVIN_AVDD	3	12	20	V
fPWM	Output PWM frequency	OUTA, OUTB, OUTC			200	kHz
IOUT (1)	Peak output current	OUTA, OUTB, OUTC			5	A
VIN	Logic input voltage	INHx, INLx, nSCS, nSLEEP, SCLK,SDI, ADx, GAIN, MODE, SLEW,PWM_SYNC	-0.1		5.5	V
VOD	Open drain pullup voltage	nFAULT	-0.1		5.5	V
IOD	Open drain output sink current	nFAULT			5	mA
VCSAREF	CSA refernce input Voltage	CSAREF	2		3.6	V
ICSAREF	CSA refernce input Current	CSAREF		2.5	7.5	mA

8 详细说明

8.1 概述
DRV8311 是一款用于三相电机驱动应用的集成 MOSFET 驱动器。高侧和低侧 FET 的组合导通电阻典型值为 210mΩ。该器件通过集成三个半桥 MOSFET、栅极驱动器、电荷泵、电流检测放大器和用于外部负载的线性稳压器，减少了系统元件数量、成本和复杂性。对于DRV8311S，标准串行外设接口 （SPI） 提供了一种简单的方法，用于配置各种设备设置并通过外部控制器读取故障诊断信息。对于DRV8311H，硬件接口 （H/W） 允许通过固定的外部电阻器配置最常用的设置。对于DRV8311P，Texas Instruments SPI （tSPI） 提供了配置各种器件设置并调整 PWM 占空比和频率的能力，以便一次控制多个电机。

该架构使用内部状态机来防止短路事件，并防止内部功率 MOSFET 的 dV/dt 寄生导通。
DRV8311 器件集成了三个双向低侧电流分流放大器，用于使用内置电流检测来监控通过每个半桥的电流，无需外部电流检测电阻器。分流放大器的增益设置可以通过 SPI、tSPI 或硬件接口进行调整。

除了高水平的设备集成外，DRV8311 设备还提供广泛的集成保护功能。这些功能包括电源欠压锁定 （UVLO）、电荷泵欠压锁定 （CPUV）、过流保护 （OCP）、AVDD 欠压锁定 （AVDD_UV） 和过热关断（OTW 和 OTSD）。故障事件由 nFAULT 引脚指示，SPI 和 tSPI 器件版本的寄存器中提供详细信息。

DRV8311H、DRV8311P 和 DRV8311S 器件采用 0.4mm 引脚间距 WQFN 表面贴装封装。WQFN 封装尺寸为 3.00 mm × 3.00 mm。

8.2 功能框图

图 8-1.DRV8311S 框图

图 8-2.DRV8311H 框图

图 8-3.DRV8311P 框图

8.3 功能描述
表 8-1 lists the recommended values of the external components for the driver.
表 8-1. DRV8311 External Components

COMPONENTS	PIN 1	PIN 2	RECOMMENDED
CVM1	VM	PGND	X5R or X7R, 0.1-µF, VM-rated capacitor
CVM2	VM	PGND	≥ 10-µF, VM-rated electrolytic capacitor
CVIN_AVDD1	VIN_AVDD	AGND	X5R or X7R, 0.1-µF, VIN_AVDD-rated capacitor
CVIN_AVDD2	VIN_AVDD	AGND	≥ 10-µF, VIN_AVDD-rated capacitor
CCP	CP	VM	X5R or X7R, 16-V, 0.1-µF capacitor
CAVDD	AVDD	AGND	X5R or X7R, 0.7 to 7-µF, 6.3-V capacitor
RnFAULT	AVDD	nFAULT	5.1-kΩ, Pullup resistor
RSDO	AVDD	SDO	5.1-kΩ, Pullup resistor (Optional)
RMODE	MODE	AGND or AVDD	节 8.3.3.2
RSLEW	SLEW	AGND or AVDD	节 8.3.3.2
RGAIN	GAIN	AGND or AVDD	节 8.3.3.2
CCSAREF	CSAREF	AGND	X5R or X7R, 0.1-µF, CSAREF-rated capacitor

8.3.1 输出级
DRV8311 器件由以三相桥配置连接的集成 NMOS MOSFET 组成。
倍增器电荷泵除了提供 100% 占空比支持外，还可在宽工作电压范围内为高侧 NMOS MOSFET 提供适当的栅极偏置电压。由 VM 电源供电的内部线性稳压器为低侧 MOSFET 提供栅极偏置电压 （VLS）。

8.3.2 PWM控制模式

DRV8311 系列器件提供三种不同的控制模式，以支持各种换向和控制方法。表 8-2 显示了 DRV8311的各种模式。

表 8-2. PWM控制模式

模式 Type	模式 Pin(DRV8311H)	模式 Bits(DRV8311S)	模式 Bits(DRV8311P)	模式
模式1	MODE引脚连接到 AGND 或模式引脚经过47kΩ连接到 AGND	PWM_MODE =00b or PWM_MODE =01b	NA	6x Mode
模式2	模式引脚 Hi-Z 或连接到 AVDD	PWM_MODE =10b	NA	3x Mode
模式3	NA	PWM_MODE =11b	PWM_MODE =11b	PWM Generatio

TI不建议在器件上电期间（即 tWAKE 期间）更改 MODE 引脚或 MODE 寄存器。
DRV8311H 上的 MODE 设置在上电时被锁存，因此在更改 DRV8311H 上的 MODE 引脚配置之前设置 nSLEEP = 0。
DRV8311S 中，在更改 MODE 寄存器之前，将所有 INHx 和 INLx 引脚设置为逻辑低电平。
8.3.2.1 6x PWM 模式（仅限 DRV8311S 和 DRV8311H 变体）
在 6x PWM 模式下，每个半桥支持三种输出状态：低、高或高阻抗 （Hi-Z）。自
在 6x PWM 模式下配置 DRV8311H，将 MODE 引脚连接到 AGND 或将 MODE 引脚连接到 47 kΩ 并网
到 AGND。要在 DRV8311S 中启用 6x PWM 模式，请将 MODE 位配置为 PWM_MODE = 00b 或 01b。这
相应的 INHx 和 INLx 信号控制输出状态，如表 8-3 所示。

表 8-3.6x PWM 模式真值表

INLx	INHx	OUTx
0	0	Hi-Z
0	1	H
1	0	L
1	1	Hi-Z

图 8-4 显示了配置为 6x PWM 模式的 DRV8311 的应用框图。

图 8-4. 6x PWM Mode

8.3.2.2 3x PWM 模式（仅限 DRV8311S 和 DRV8311H 变体）
在 3x PWM 模式下，INHx 引脚控制每个半桥并支持两种输出状态：低电平或高电平。要将DRV8311H配置为 3x PWM 模式，请将 MODE 引脚连接到 AVDD 或将 MODE 引脚保持在 Hi-Z。要在 DRV8311S 中启用 3x PWM 模式，请将 MODE 位配置为 PWM_MODE = 10b。INLx 引脚用于将半桥置于 Hi-Z 状态。如果不需要 Hi-Z 状态，则将所有 INLx 引脚连接到逻辑高电平（例如，将它们连接到 AVDD）。相应的 INHx 和 INLx 信号控制输出状态，如表 8-4 所示。

表 8-4.3x PWM 模式真值表

INLx	INHx	OUTx
0	X	Hi-Z
1	0	L
1	1	H

图 8-5. 3x PWM Mode

8.3.2.3 PWM 生成模式（DRV8311S 和 DRV8311P 变体）
在 PWM 生成模式下，PWM 信号在 DRV8311 内部生成，可通过 SPI （DRV8311S） 或 tSPI （DRV8311P） 寄存器读/写进行控制。这种操作模式消除了通过 INHx 和 INLx 引脚控制电机的需要。每个相位的 PWM 周期、频率和占空比可以通过串行接口进行配置。PWM_SYNC 引脚功能允许 MCU 和 DRV8311 之间同步。PWM 模式可以配置为启用或禁用每个相位的高侧或低侧 MOSFET PWM 控制，以便在需要时允许连续或不连续切换。
在 PWM 生成模式下使用 DRV8311S 时，将 MCU 的 PWM_SYNC 信号连接到 DRV8311S 的 INLB 引脚。在此模式下，DRV8311S不关心所有其他 INHx 和 INLx pins的状态。
梯形、正弦和 FOC 控制都可以使用 PWM 生成模式。

图 8-6. PWM Generation Mode - DRV8311P

图 8-7. PWM Generation Mode - DRV8311S

PWM 生成模式有三种不同的选项：up/down 模式、up mode 和 down mode。PWM 生成模式可以使用 PWMG_CTRL 寄存器中的 PWMCNTR_MODE 位进行配置。将PWMG_x_DUTY寄存器中 PWM_DUTY_OUTx 位（每相 A、B、C 的 x）定义的占空比与参考计数器信号进行比较，以生成高侧 MOSFET PWM。PWM 生成使用内部根据 PWM_PRD_OUT 位（PWMG_PERIOD 寄存器）和 PWMCNTR_MODE 位的配置生成的参考计数器信号。如果 PWM_EN 位为高电平，则当 PWM_DUTY_OUTx 大于基准计数器时，高侧 MOSFET PWM 输出为高电平。当 PWM_EN 为低电平时，输出始终保持低电平。为了实现高侧 MOSFET 的 100% 占空比 [整个周期HS_ON]，PWM_DUTY_OUTx值必须高于 PWM_PRD_OUT 值。
在上/下模式 [PWMCNTR_MODE = 0h] 下，参考计数器波形类似于 V 形，启用时从 PWM_PRD_OUT 值开始倒计时，然后在计数器达到零时再次倒计时。
配置PWM_PRD_OUT位以使用关系 PWM_PRD_OUT = 0.5 x （FSYS /FPWM） 生成 PWM 频率 （FPWM）。FSYS 是 DRV8311P 和 DRV8311S 的内部系统时钟频率 （约 20MHz）。

8.3.5 电荷泵
由于输出级使用 N 沟道 FET，因此该器件需要高于 VM 电源的栅极驱动电压，以充分增强高侧 FET。DRV8311 集成了一个电荷泵电路，可为此在 VM 电源上方产生电压。
电荷泵需要一个外部电容器才能工作。电容器值详见表 8-1。
当 nSLEEP 为低电平时，电荷泵关闭。

图 8-17. DRV8311电荷泵

8.3.6 转换速率控制（SLEW引脚）

MOSFET 的可调栅极驱动电流控制可实现轻松的转换速率控制。MOSFET VDS 转换速率是优化辐射发射、能量和二极管恢复尖峰持续时间以及与寄生相关的开关电压瞬变的关键因素。这些转换速率主要由内部 MOSFET 的栅极电荷速率决定，如图 8-18 所示。

符号	描述	试验条件	最小	典型	最大	单位
SR	相位引脚转换速率从低切换到高（从 VM 的 20 % 上升到 80 %）	V VM = 12V; SLEW = 00b (SPI Variant)或 SLEW 引脚连接到 AGND (HW Variant)	18	35	55	V/us
SR		V VM = 12V; SLEW = 01b (SPI Variant)或 SLEW 引脚至 47 kΩ +/- 5% 连接到 AGND (HW Variant)	35	75	100	V/us
SR		V VM = 12V; SLEW = 10b (SPI Variant)或 SLEW 引脚到 Hi-Z (HW Variant)	90	180	225	V/us
SR		V VM = 12V; SLEW = 11b (SPI Variant)或 SLEW 引脚连接到 AVDD (HW Variant)	140	230	355	Vus

8.3.10 电流检测放大器
DRV8311 集成了三个高性能低侧电流感应放大器，用于使用内置电流感应进行电流测量。低侧电流测量通常用于实现过流保护、外部扭矩控制或与外部控制器的无刷直流换向。所有三个放大器都可用于感应每个半桥脚（低侧 MOSFET）中的电流。电流检测放大器包括可编程增益和引脚 CSAREF 上提供的外部电压基准 （VREF） 等功能。

12 布局

12.1 布局准则
应放置大容量电容器，以尽量减少通过电机驱动器设备的大电流路径的距离。连接的金属走线宽度应尽可能宽，并且在连接 PCB 层时应使用多个过孔。这些做法最大限度地减少了电感，并允许大容量电容器提供高电流。
小值电容应为陶瓷电容，并靠近器件引脚放置，包括 AVDD、电荷泵、CSAREF、VINAVDD 和 VM。
大电流器件输出应使用较宽的金属走线。
为了减少大瞬态电流对小电流信号路径的噪声耦合和 EMI 干扰，应在 PGND 和 AGND 之间划分接地。TI 建议将所有非功率级电路（包括导热垫）连接到 AGND，以减少寄生效应并改善器件的功耗。确保通过网络连接接地，以减少电压偏移并保持栅极驱动器性能。公共接地层也可用于 PGND 和 AGND，以最大限度地减少接地中的电感，但建议将电机开关输出放置在远离模拟和数字信号的位置，这样电机噪声就不会耦合到模拟和数字电路中。
器件导热垫应焊接到 PCB 顶层接地层。应使用多个 via 连接到一个大的底层接地层。使用大型金属平面和多个通孔有助于消散器件中产生的热量。
为了提高散热性能，请在 PCB 的所有可能层中最大化连接到导热垫接地的接地面积。使用厚铜浇注可以降低结点到空气的热阻，并改善芯片表面的散热。