特點

•適合汽車應用

•AEC-Q100測試結果如下：

–設備溫度等級1：–40°C至125°C環境工作溫度范圍

–設備HBM ESD等級H2

–設備CDM ESD分類等級C4A

•工作電源電壓6V–60V

•2.3A水槽和1.7A源極驅動電流能力

•具有可調增益和偏移的集成雙并聯電流放大器

•集成降壓轉換器，可支持高達1.5A的外部負載

•3或6個PWM輸入的獨立控制

•具有100%占空比支持的引導門驅動器

•可編程死區時間，以保護外部FET不被射穿

•用于減少電磁干擾的轉換速率控制

•外部MOSFET的可編程過電流保護

•支持3.3V和5V數字接口

•SPI接口

•熱增強型56針TSSOP襯墊式DCA封裝

應用

•汽車三相無刷直流電動機和永磁同步電動機

•水、油、燃油泵

說明

DRV8301-Q1是一種用于三相電機驅動應用的汽車門驅動器IC。它提供了三個半橋驅動器，每個驅動器都能驅動兩個N型mosfet，一個用于高側，一個用于低側。它支持高達2.3A sink和1.7A源峰值電流能力，只需要一個從6V到60V的寬范圍電源。DRV8301-Q1使用帶涓流充電電路的引導柵極驅動器，以支持100%的占空比。當高邊場效應晶體管或低邊場效應晶體管切換時，柵極驅動器使用自動握手來防止電流擊穿。在過電流情況下，感測FET的Vds以保護外部功率級。

DRV8301-Q1包括兩個電流分流放大器，用于精確的電流測量。電流放大器支持雙向電流感應，并提供高達3V的可調輸出偏移。

DRV8301-Q1也有一個集成開關模式降壓轉換器，輸出和開關頻率可調，以支持MCU或其他系統電源需求。巴克能夠驅動高達1.5A負載。

SPI接口提供詳細的故障報告和靈活的參數設置，如電流分流放大器的增益選項、門驅動器的轉換速率控制等。

這些設備具有有限的內置ESD保護。在儲存或搬運過程中，應將引線短接在一起，或將設備放置在導電泡沫中，以防止對MOS門造成靜電損傷。

功能框圖

功能描述

三相門驅動器

DRV8301-Q1提供了三個半橋驅動器，每個驅動器都能夠驅動兩個N型MOSFET，一個用于高壓側，一個用于低壓側。

門驅動器具有以下特點：

•開關轉換期間，高壓側和低壓側FET之間的內部握手，以防止電流擊穿。

•通過SPI接口可編程轉換速率或電流驅動能力。

•支持高達200kHz的開關頻率，Qg（TOT）=25nC或總30mA柵極驅動平均電流

•提供外部FET的逐周期電流限制和閂鎖過電流（OC）關閉。電流通過FET漏源電壓感應，過電流水平可通過SPI接口編程

•Vds傳感范圍可從0.060V編程至2.4V，并通過SPI具有5位可編程分辨率。

•高壓側柵極驅動將承受半橋負輸出，最高-10V，持續10ns

•在EN_柵極引腳低和故障情況下，柵極驅動器將保持外部FET處于高阻抗模式。

•通過DTC引腳可編程死區時間。死區時間控制范圍：50ns到500ns。短DTC針腳對地將提供最短的死區時間（50ns）。只要外部死區時間長于死區時間設置，外部死區時間將覆蓋內部死區時間（為了防止擊穿電流，不能縮短最小握手時間）。

•引導帶用于三相預柵驅動器的高側場效應晶體管。涓流充電電路用于補充自舉閥蓋的電流泄漏，并支持100%的占空比運行。

電流分流放大器

DRV8301-Q1包括兩個高性能電流分流放大器，用于精確的電流測量。

電流放大器提供高達3V的輸出偏移，以支持雙向電流感應。

電流分流放大器具有以下特點：

•可編程增益：通過SPI命令設置4個增益

•通過參考引腳的可編程輸出偏移（Vref的一半）

•通過SPI命令或直流校準引腳進行直流校準，使直流偏移和溫度漂移最小化。當直流校準啟用時，裝置將短路電流分流放大器的輸入并斷開負載。直流校準可以在任何時候進行，即使當FET開關，因為負載斷開。為了獲得最佳結果，在無負載的情況下，在關閉期間執行直流校準，以減少對放大器的潛在噪聲影響。

電流分流放大器的輸出可計算為：

其中，Vref是參考電壓，G是放大器的增益；SNx和SPx是通道x的輸入。SPx應連接到電阻接地，以獲得最佳共模抑制。

圖4顯示了電流放大器的簡化框圖。

BUCK變換器

DR8301中的buck轉換器與TPS54160 buck轉換器相同。盡管集成在同一個器件中，buck變換器的設計完全獨立于其余的柵極驅動電路。由于buck將支持外部MCU或其他外部電源需求，buck操作的獨立性對于一個可靠的系統來說是非常關鍵的；這將使buck從門驅動器操作中受到的影響最小。例如：當門驅動器因任何故障而關閉時，buck仍將工作，除非故障是buck本身造成的。buck保持在3.5V的低PVDD下工作，這將確保當柵極驅動器由于低PVDD而無法工作時，系統能夠平穩地上電和斷電。

buck有一個集成的高邊n溝道MOSFET。為了提高線路和負載瞬變期間的性能，該裝置實現了恒定頻率、電流模式控制，減少了輸出電容，簡化了外部頻率補償設計。

在選擇輸出濾波器組件時，300kHz到2200kHz的寬開關頻率允許效率和尺寸優化。開關頻率通過RT峎CLK引腳上的接地電阻進行調整。該設備在RT_ck引腳上有一個內部鎖相環（PLL），用于將電源開關接通與外部系統時鐘的下降沿同步。

buck轉換器的默認啟動電壓約為2.5V。EN_buck引腳有一個內部上拉電流源，可用于通過兩個外部電阻器調整輸入電壓欠壓鎖定（UVLO）閾值。此外，上拉電流提供了一個默認條件。當EN_BUCK引腳浮動時，設備將運行。在不切換和空載時，工作電流為116μA。當設備被禁用時，電源電流為1.3μA。

集成的200mΩ高側MOSFET允許高效率的電源設計，能夠向負載提供1.5安培的連續電流。集成高壓側MOSFET的偏置電壓由啟動端到PH引腳上的電容器提供。啟動電容電壓由一個UVLO電路監控，當啟動電壓低于預設閾值時，將關閉高壓側MOSFET。由于啟動UVLO，buck可以在高占空比下工作。輸出電壓可以降低到0.8V參考電壓。

BUCK有一個功率良好的比較器（PWRGD），當調節輸出電壓小于標稱輸出電壓的92%或大于109%時，該比較器會進行判斷。PWRGD引腳是一個開路漏極輸出，當VSENSE引腳電壓在標稱輸出電壓的94%和107%之間時，該引腳會斷開，允許引腳在使用上拉電阻器時轉換為高電平。

該BUCK通過利用OV功率良好比較器來最小化過電壓（OV）瞬態。當OV比較器被激活時，高側MOSFET被關閉并屏蔽，直到輸出電壓低于107%。

SS_-TR（慢啟動/跟蹤）引腳用于最小化涌入電流或在通電期間提供電源順序。一個小值電容器應耦合到引腳上，以調整慢啟動時間。電阻分壓器可與引腳耦合，以滿足關鍵電源排序要求。在輸出通電之前，SS_TR引腳被放電。這種放電確保了超溫故障后可重復重啟，

此外，在過載情況下，BUCK通過過載恢復電路對慢啟動電容器進行放電。一旦故障條件消除，過載恢復電路將緩慢啟動從故障電壓到標稱調節電壓的輸出。頻率折疊電路在啟動和過電流故障條件下降低開關頻率，以幫助控制電感器電流。

保護特性

功率級保護

DRV8301-Q1為MOSFET功率級提供過流和欠壓保護。在故障關閉條件下，所有門驅動器輸出將保持低，以確保外部FET處于高阻抗狀態。

過電流保護（OCP）和報告

為了保護功率級不受大電流的損壞，在DRV8301-Q1中安裝了VDS傳感電路。基于功率mosfet的RDS（on）和最大允許id，可以計算出一個電壓閾值，當超過該閾值時，觸發OC保護特性。該電壓閾值水平可通過SPI命令進行編程。

SPI中共有4個OC_模式設置。

1.模式限流

當電流限制模式被啟用時，設備在OC事件期間操作電流限制而不是OC關閉。過電流事件通過OCTW引腳報告。在同一個PWM周期內或在最大64μs的時間段（內部計時器）內，OCTW報告應保持低水平，以便外部控制器有足夠的時間對警告信號進行采樣。如果在報告過程中，其他FET獲得OC，則OCTW報告將保持低并重新計數另一個64μs，除非兩個FET上的PWM周期結束。

在電流限制模式下有兩個電流控制設置（在SPI中按一位選擇，默認為CBC模式）。

–設置1（CBC模式）：在OC事件期間，檢測到OC的FET將關閉，直到下一個PWM周期。

–設置2（關閉時間控制模式）：

–在OC事件期間，如果PWM信號仍然保持高電平，則檢測到OC的FET將關閉64us作為關閉時間，然后恢復正常（因此相同的FET將再次打開）。由于所有三相或6個FET共用一個定時器，如果不止一個FET發生OC，那么在發生OC事件的所有FET通過64μs之前，FET不會恢復正常。

–如果在定時器運行期間切換了該場效應晶體管的脈寬調制信號，則該開關場效應晶體管的設備將恢復正常運行。所以在這種情況下，實時關閉時間可能小于64uS。

–如果在定時器運行期間，兩個FET獲得OC，而一個FET的PWM信號被切換，則該FET將恢復正常，而另一個FET將關閉直到計時器結束（除非其PWM也被切換）

2.OC閂鎖關閉模式

當發生OC時，如果同一相的任何一個FET中有OC，則該器件將同時關閉該相的高側和低壓側FET。

3.僅報告模式

在此模式下不會執行任何保護操作。OC檢測將通過OCTW引腳和SPI狀態寄存器報告。外部MCU應根據其自身的控制算法采取行動。將在OCTW管腳上實現64μS的脈沖拉伸，以便控制器有足夠的時間來檢測OC信號。

4.OC禁用模式

設備將忽略所有OC檢測，也不會報告它們。

欠壓保護（UVP）

為了在啟動、關閉和其他可能的電壓條件下保護功率輸出級DRV8301-Q1通過在PVDD低于6V（PVDD_-UV）或GVDD低于7.5V（GVDD_-UV）時驅動其低輸出，提供功率級欠壓保護。當UVP被觸發時，DRV8301-Q1輸出被驅動低，外部mosfet將進入高阻抗狀態。

過電壓保護（GVDD_-OV）

如果GVDD電壓超過16V，裝置將關閉柵極驅動器和充電泵，以防止與GVDD或充電泵相關的潛在問題（例如，外部GVDD蓋或充電泵短路）。該故障為鎖定故障，只能通過EN_門引腳上的轉換復位。

過熱保護

實現了兩級超溫檢測電路：

•1級：超溫警告（OTW）

OTW通過OCTW引腳（過流溫度警告）報告，用于默認設置。OCTW引腳只能通過SPI命令設置為報告OTW或OCW。參見SPI寄存器部分。

•2級：門驅動器和電荷泵（OTSD_gate）的超溫（OT）鎖定關閉

故障將報告給故障引腳。這是一個閉鎖關閉，因此即使OT狀態不再存在，門驅動器也不會自動恢復。在溫度低于預設值tOTSD\U CLR后，需要通過引腳或SPI（復位門）復位門驅動器，使其恢復正常運行。

SPI操作仍然可用，只要PVDD仍在定義的操作范圍內，OTSD操作期間寄存器設置將保留在設備中。

故障及保護處理

故障引腳指示發生了關機錯誤事件，例如過電流、過溫、過壓或欠壓。請注意，故障是開路漏極信號。在啟動期間，當門驅動器準備好接收PWM信號時，故障將變高（內部EN_gate變高）。

OCTW引腳指示與關機無關的過電流事件和過熱事件。

以下是所有保護功能及其報告結構的摘要：

引腳控制功能

EN_GATE

EN_GATE low用于將柵極驅動器、電荷泵、電流分流放大器和內部調節塊置于低功耗模式以節省能源。在此狀態期間不支持SPI通信。只要PVDD仍然存在，器件將把MOSFET輸出級置于高阻抗模式。

當EN_門引腳到高電平時，它將經歷一個通電序列，并啟用門驅動器、電流放大器、電荷泵、內部調節器等，并重置與門驅動器塊相關的所有鎖定故障。它還將重置SPI表中的狀態寄存器。除非故障仍然存在，否則當在錯誤事件后切換EN_GATE時，所有鎖定的故障都可以復位。

當EN_門從高到低時，它會立即關閉柵極驅動塊，因此柵極輸出可以使外部fet處于高阻抗模式。然后它將等待10秒，然后完全關閉其余的街區。快速故障復位模式可以通過短時間（小于10μS）切換EN_GATE引腳來實現。這將防止設備關閉其他功能塊，如電荷泵和內部調節器，并帶來更快和簡單的故障恢復。SPI仍然可以在這種快速的門重設模式下工作。

重置所有故障的另一種方法是使用SPI命令（reset_GATE），它將只重置門驅動器塊和所有SPI狀態寄存器，而不關閉其他功能塊。

一個例外是重置GVDD_-OV故障。快速門快速故障復位或SPI命令復位在GVDD\U OV故障下不起作用。復位GVDD_OV故障需要一個低電平保持時間超過10μS的完整EN_GATE。強烈建議在發生GVDD_OV時檢查系統和板。

EN_BUCK

降壓使能引腳，內部上拉電流源。拉到1.2V以下禁用。浮動以啟用。

故障診斷碼

死區時間可通過DTC引腳編程。在故障診斷碼（DTC）與接地之間應連接一個電阻，以控制死區時間。死區時間控制范圍從50ns到500ns。短DTC針腳對地將提供最短的死區時間（50ns）。電阻范圍為0至150kΩ。死區時間在這個電阻范圍內線性設定。

電流直通保護將始終在裝置中啟用，與死區時間設置和輸入模式設置無關。

VDD_SPI

VDD_SPI是SDO引腳的電源。它必須連接到MCU用于SPI操作的同一電源（3.3V或5V）。

在通電或斷電瞬態過程中，VDD_SPI引腳可能很快為零電壓。在此期間，系統中任何其他設備的SDO引腳不應出現任何SDO信號，因為這會導致DRV8301-Q1中的寄生二極管從SDO導至VDD U SPI引腳短路。在系統電源順序設計中應考慮和防止這一點。

直流電

當直流校準被啟用時，裝置將短路并聯放大器的輸入并斷開與負載的連接，因此外部微控制器可以進行直流偏移校準。直流偏移校準也可以用SPI命令完成。如果只使用SPI進行直流校準，則直流電插頭可以連接到GND。

SPI引腳

SDO引腳必須是3態的，這樣一條數據總線就可以連接到多個SPI從設備。SCS引腳處于低激活狀態。當SCS較高時，SDO處于高阻抗模式。

啟停順序控制

在通電期間，所有門驅動輸出保持在低水平。從高電平到低電平的門極放大器可以從高電平到低電平。如果不存在錯誤，DRV8301-Q1準備好接受PWM輸入。只要PVDD在功能范圍內，即使在門禁用模式下，柵極驅動器也可以控制功率場效應晶體管。

從SDO到VDD_SPI之間有一個內部二極管，因此VDD_SPI需要始終以與其他SPI設備相同的功率電平供電（如果有來自其他設備的SDO信號）。在SDO引腳上出現任何信號之前，VDD U SPI電源應首先通電，在SDO引腳完成所有通信后關閉電源。

SPI通信

SPI接口

SPI接口用于設置設備配置、運行參數和讀取診斷信息。DRV8301-Q1 SPI接口在從屬模式下工作。

SPI輸入數據（SDI）字由16位字組成，11位數據和5位（MSB）命令。SPI輸出數據（SDO）字由16位字組成，11位寄存器數據、4位MSB地址數據和1個幀故障位（活動1）。當一個幀無效時，幀故障位將設置為1，其余的SDO位將移出零。

有效幀必須滿足以下條件：

1.當/SCS變低時，時鐘必須很低。

2.我們應該有16個完整的時鐘周期。

3.當/SCS變高時，時鐘必須低。

當SCS被斷言為高電平時，SCLK和SDI引腳上的任何信號都將被忽略，SDO被強制進入高阻抗狀態。當SCS從高電平轉換到低電平時，SDO被啟用，SPI響應字根據前一時鐘周期SPI中的5位命令加載到移位寄存器中。

當SCS轉換為低電平時，SCLK引腳必須為低電平。當SCS較低時，在時鐘的每個上升沿，響應位在SDO管腳上串行移出，MSB首先移出。

當SCS較低時，在時鐘的每個下降沿，新的控制位在SDI管腳上采樣。SPI命令位被解碼以確定寄存器地址和訪問類型（讀或寫）。MSB將首先在中移位。如果發送到SDI的字小于16位或大于16位，則視為幀錯誤。如果是寫命令，數據將被忽略。SDO（MSB）中的故障位將在下一個16位字周期中報告1。

在第16個時鐘周期之后或當SCS從低轉換到高時，在寫訪問類型的情況下，SPI接收移位寄存器數據被傳輸到地址與解碼的SPI命令地址值匹配的鎖存器中。只要SCS保持低激活狀態，位之間可以經過任何時間。這允許使用兩個8位字。

對于SPI中的一個讀取命令（第N個周期），SP0將在下一個周期（N+1）中發送寄存器中的數據，并在讀取命令中添加地址。

對于SPI中的寫入命令，SPO將在下一個16位字周期（N+1）中發送狀態寄存器0x00h中的數據。在大多數情況下，當有一個寫命令時，這個特性將使SPI通信效率最大化，但是仍然可以在不發送額外的讀命令的情況下返回故障狀態值。

SPI格式

SPI輸入數據控制字長16位，包括：

•1讀或寫位W[15]

•4個地址位A[14:11]

•11個數據位D[10:0]

SPI輸出數據響應字的長度為16位，其內容取決于上一個周期中給定的SPI命令（SPI控制字）。當一個SPI控制字被移入時，SPI響應字（在相同的轉換時間內被移出）是對上一個SPI命令（移入SPI控制字“N”和移出SPI響應字“N-1”）的響應。

因此，每個SPI控制/響應對需要兩個完整的16位移位周期才能完成。

SPI控制和狀態寄存器

讀/寫位

SDI字（W0）的MSB位是讀/寫位。當W0=0時，輸入數據是一個寫命令；當W0=1時，輸入數據是一個讀命令，寄存器值將在同一個字周期內從SDO從D10發送到D0。

地址位

SPI數據位

狀態暫存器

•所有狀態寄存器位處于鎖定模式。讀取每個狀態寄存器將重置該寄存器中的位。讀取故障寄存器兩次以獲取更新的狀態條件。

•當“低”電平保持時間超過10μS時，EN_GATE切換將強制關閉和啟動序列，并重置狀態寄存器中的所有值，包括GVDD_OV故障。

•低電平保持小于10uS的EN_GATE togging（快速故障復位）或GATE_reset high（在SPI中）將重置狀態寄存器中的所有值，gvd_OV fault仍將被鎖定為故障。

•當發生任何故障導致停機（GVDD U UV、PVDD U UV、OTSD、OCSD、GVDD_OV）時，故障為高故障，這與故障硬件引腳相反。

控制暫存器

過流調整

當外部MOSFET被打開時，輸出電流流過MOSFET，從而產生電壓降VDS。當VDS超過預設值IOC時，將啟用過電流保護事件。OC跳閘值可通過SPI命令編程。假設MOSFET的導通電阻為RDS（on），則Vds可計算為：

VDS是通過slux和SH_x引腳為低側MOSFET測量的。對于高側MOSFET，VDS是通過PVDD1（內部）和SH_x測量的。因此，限制PVDD1電源上的紋波對于精確的高壓側電流傳感非常重要。

同樣重要的是要注意，對于OC跳閘點，通道之間的公差可以高達20%。這是為了保護，而不是用來調節電機相位的電流。

應用示意圖示例

例子：

降壓：PVDD=3.5V–40V，Iout_max=1.5A，Vo=3.3V，Fs=570 kHz。

PCB布局建議

以下是為DRV8301-Q1設計PCB時使用的一些布局建議。

1.DRV8301-Q1通過電源板與GND進行電氣連接。始終檢查以確保PowerPAD已正確焊接（參見PowerPAD應用報告，SLMA002）。

2. C1/C2/C8/C9，PVDD去耦電容器應靠近其相應的管腳，并通過低阻抗路徑連接到設備GND（PowerPAD）。

3.C4，gvd電容器應放置在靠近其相應引腳的低阻抗路徑的設備GND（PowerPAD）。

4.C16/C17、AVDD和DVDD電容器應放置在靠近其相應引腳的位置，并采用低阻抗路徑連接至AGND引腳。最好在同一層建立這種連接。

5.AGND應該通過低阻抗跟蹤/銅填充連接到設備GND（PowerPAD）。

6.添加縫合過孔，以減少從上到下的GND路徑的阻抗。

7.試著清理DRV8301-Q1周圍和下方的空間，以便更好地從電源板散熱。

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