借助TI DRV8162智能单半桥栅极驱动器优化机器人系统设计

随着制造业的自动化程度不断提高，以及消费者在家中安装这些自动化系统，机器人市场将继续增长。公司纷纷开始在其工厂和仓库中实现制造系统的自动化，并适应未来机器人与人类进行更多互动的情形。

制造机器人的设计工程师了解，有数百种不同类型的机器人系统。机器人种类繁多，从功率只有几瓦的小型辅助机器人到自主移动机器人、类人(rén)机(jī)器(qì)人(rén)以(yǐ)及(jí)功(gōng)率(lǜ)高(gāo)达(dá) 4kW 及(jí)更(gèng)高(gāo)的(de)重(zhòng)型(xíng)工(gōng)业(yè)机(jī)器(qì)人(rén)。

协(xié)作(zuò)机(jī)器(qì)人(rén)、移(yí)动(dòng)机器人、类人机器人和工业机器人有各种形状和尺寸功率级别范围为 10W 至 ≥4kW

机器人制造商在开发高级系统时面临几项设计挑战。上述机器人应用通常使用 48V 电压轨并支持 2kg 至 40kg 的有效载荷。在设计更高负载时，工程师必须同时考虑机械和设计影响，以适应更高的功率级别。较高的电流可能会因电磁干扰 (EMI) 或开关损耗过高而导致系统性能低下。功能安全也是一个重要因素，因为机器人经常在有人类存在的环境中使用。无论是在生产车间还是在消费者的家中，设计能够在必要时安全关闭的系统都非常重要。

借助TIDRV8162等智能单半桥栅极驱动器，您可以灵活地创建能够承受大功率和电压范围，同时降低 EMI 并符合功能安全标准的集成系统。

面(miàn)向(xiàng)各(gè)种功率级别的设计

我们的智能栅极驱动器采用 TI 的 IDRIVE 可调栅极驱动电流方案，可在多个级别的栅极电流中控制 MOSFET 压摆率。DRV8162 具有 16 种可调的粒度设置（如图 2 所示），可控制何时选择 MOSFET 和终端应用。有关 IDRIVE 的更多详细信息，请阅读了解智能栅极驱动。

图 2. DRV8162 的 16 个 IDRIVE 设置和可编程的

拉电流/灌电流比可省去外部无源器件并简化设计

使用方程式 1，您可以通过 MOSFET 的栅漏电荷 (Qgd) 规格以及 MOSFET 漏极和源极之间最大电压的上升和下降时间，估算出哪个 IDRIVE 设置更适合您的系统。这些值根据您的系统性能要求而变化。

方程式 1

如果 IDRIVE 不靠近您使用的器件中的栅极驱动设置，您将需要额外的无源器件（包括栅极电阻器）来实现所需的栅极电流。这些额外元件增加了总体物料清单成本，并增加了印刷电路板 (PCB) 的尺寸，这可能会对协作机器人、移动机器人和类人关节中的小型设计造成影响。

使用同类半桥栅极驱动器时，需(xū)要(yào)使(shǐ)用(yòng)外(wài)部(bù)栅(zhà)极(jí)电(diàn)阻(zǔ)器(qì)，因(yīn)为(wèi)它(tā)们(men)仅(jǐn)提(tí)供(gōng)固(gù)定(dìng)电(diàn)流(liú)或(huò)两(liǎng)到(dào)四(sì)个(gè)分(fēn)立(lì)式(shì)设(shè)置(zhì)。DRV8162 驱(qū)动(dòng)器(qì)中(zhōng)的(de) 16 种(zhǒng)栅(zhà)极(jí)驱(qū)动(dòng)设(shè)置(zhì)和(hé)可(kě)编(biān)程拉/灌比率让您可以灵活地移除外部无源器件并简化设计。

宽 Qgd 支持使您可以在具有不同 MOSFET 的各种低功率、中功率和高功率机器人平台上使用驱动器，而无需更改每个系统中的栅极驱动器设计。DRV8162 的栅极拉电流和灌电流可分别设置为低至 16mA 和 32mA，最高可达 1024mA 和 2048mA。例如，48V 系统中的 1V/ns 压摆率可用于计算 48ns Trise/Tfall。这会产生该器件可以支持的 0.77nc/1.54nC 至 49.15nC/98.30nC MOSFET Qgd 范围。

提高系统性能

与三相集成式栅极驱动器相比，DRV8162 的单半桥架构使其能够更靠近 FET。图 3 展示了两种圆形 PCB 设计，其中比较了三相与单相半桥实现。

图 3. 采用三相栅极驱动器实现方案的圆形 PCB 设计

左侧是 MCU、驱动器和 FET，右侧是单个半桥设计

将栅极驱动器放置在更靠近 FET 的位置可缩短布线长度，提高信号完整性，并减少栅极和源极节点上的寄生效应。更短的路径还有助于降低布线电感的影响，从而降低振铃和 EMI。

此外，DRV8162 有助于通过 20ns 的死区时间改善系统效率和声学性能，还有助于扩大工作脉宽调制占空比范围，从而扩大速度范围(wéi)，同(tóng)时(shí)提(tí)高(gāo)电(diàn)机(jī)的(de)可(kě)用(yòng)电(diàn)压(yā)。更(gèng)短(duǎn)的(de)死(sǐ)区(qū)时(shí)间(jiān)还(hái)可(kě)以(yǐ)更(gèng)大(dà)限(xiàn)度(dù)减(jiǎn)少(shǎo)二(èr)极(jí)管(guǎn)导(dǎo)通(tōng)损(sǔn)耗(hào)，提(tí)高(gāo)系(xì)统(tǒng)效(xiào)率(lǜ)，并(bìng)减(jiǎn)少(shǎo)电(diàn)机(jī)电(diàn)流(liú)失(shī)真(zhēn)，从(cóng)而(ér)降(jiàng)低(dī)可(kě)闻(wén)噪(zào)声(shēng)。这(zhè)些(xiē)效(xiào)果(guǒ)可(kě)提(tí)高(gāo)系(xì)统(tǒng)的(de)整(zhěng)体(tǐ)性(xìng)能(néng)和(hé)效(xiào)率(lǜ)。

机(jī)器(qì)人(rén)中(zhōng)的(de) STO

许(xǔ)多(duō)机(jī)器(qì)人(rén)与(yǔ)人(rén)类(lèi)并(bìng)肩(jiān)作(zuò)战(zhàn)，因(yīn)此(cǐ)在(zài)发(fā)生(shēng)电(diàn)源(yuán)故(gù)障(zhàng)、电(diàn)涌(yǒng)或(huò)短(duǎn)路时(shí)关闭(bì)系(xì)统(tǒng)至(zhì)关重(zhòng)要(yào)。在(zài)器(qì)件(jiàn)扭(niǔ)矩(ju)无(wú)法(fǎ)预(yù)测(cè)的(de)情(qíng)况(kuàng)下(xià)，电(diàn)机(jī)驱(qū)动(dòng)应(yīng)用(yòng)出(chū)现(xiàn)故(gù)障(zhàng)可(kě)能(néng)会(huì)导(dǎo)致(zhì)危(wēi)险(xiǎn)情(qíng)况(kuàng)。由(yóu)于(yú)一(yī)些(xiē)机(jī)械(xiè)在(zài)涉(shè)及(jí)重(zhòng)负(fù)载(zài)的(de)工(gōng)业(yè)环(huán)境(jìng)中(zhōng)运(yùn)行(xíng)，因(yīn)此(cǐ)必(bì)须(xū)能(néng)够(gòu)安(ān)全关闭(bì)并(bìng)防(fáng)止(zhǐ)意(yì)外(wài)启(qǐ)动(dòng)。

国(guó)际(jì)电(diàn)工(gōng)委(wěi)员(yuán)会(huì) (IEC) 61800-5-2 标(biāo)准定义了电路设计中被称为安全扭矩关断 (STO) 的安全功能，该功能可防止向电机供电。DRV8162 和 TI 的 DRV8162L 采用了分离电源架构，可帮助您在系统中实施 STO。

在更高功率的设计中，工程师可以参考适用于集成电机驱动器的 48V、4kW 小型三相逆变器参考设计(TIDA-010956)，该设计采用了具有 48VDC 输入电压和 85ARMS 输出电流的 DRV8162L。如图 4 所示，该设计包含建议的 STO 概念、并联 FET、高功率和单个半桥栅极驱动器。

图 4. TI 的三相逆变器参考设计 (TIDA-010956)

结语

机器人的现有电机设计采用分立式实现来满足安全要求，这会增加电路板尺寸和物料清单数量。为了提高各种形状和尺寸的机器人的效率和安全性，需要使用 DRV8162 这类更小、更安全的集成式栅极驱动器。新款智能单半桥栅极驱动器助力设计人员将功率从 10W 扩展到 4kW 及更高，同时缩小 PCB 尺寸，提高性能和安全性，并提供灵活性，从而在未来多年内加速机器人创新。