DRV8841雙H橋驅(qū)動(dòng)IC：高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案

引言

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)常見(jiàn)且關(guān)鍵的領(lǐng)域。一款性能優(yōu)良的電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)帶來(lái)諸多便利，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）的DRV8841雙H橋驅(qū)動(dòng)IC，看看它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

DRV8841是一款集成式雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，專為打印機(jī)、掃描儀和其他自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它可以用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)有刷直流電機(jī)、雙極步進(jìn)電機(jī)或其他負(fù)載，通過(guò)簡(jiǎn)單的PWM接口就能輕松與控制器電路連接，所需資源極少。該IC的主要特點(diǎn)包括：

1. 雙H橋設(shè)計(jì)：能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)，適用于復(fù)雜的電機(jī)控制場(chǎng)景。
2. PWM控制接口：支持可選的固定頻率電流調(diào)節(jié)和兩位電流控制，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)四個(gè)電流級(jí)別，方便對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行精確控制。
3. 低MOSFET導(dǎo)通電阻：在24V和 (T{A}=25^{circ} C) 條件下，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)2.5A，高側(cè)和低側(cè)的組合 (R{DS(ON)}) 僅為400mΩ，有效降低了功率損耗。
4. 寬工作電源電壓范圍：8.2V至45V的電壓范圍，使其能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
5. 低電流睡眠模式：可通過(guò)專用的nSLEEP引腳設(shè)置，關(guān)閉內(nèi)部電路以實(shí)現(xiàn)極低的靜態(tài)電流消耗，節(jié)省系統(tǒng)功耗。
6. 內(nèi)置3.3V參考輸出：可用于為其他電路提供穩(wěn)定的參考電壓。
7. 熱增強(qiáng)型表面貼裝封裝：有助于提高散熱性能，保證芯片在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。
8. 多種保護(hù)功能：具備過(guò)流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）、欠壓鎖定（UVLO）和故障狀態(tài)指示引腳（nFAULT），有效保護(hù)芯片和電機(jī)免受損壞。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

DRV8841的應(yīng)用范圍非常廣泛，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域：

1. 打印機(jī)和掃描儀：在這些設(shè)備中，精確的電機(jī)控制對(duì)于打印和掃描質(zhì)量至關(guān)重要。DRV8841的高性能和精確控制能力能夠滿足其對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的嚴(yán)格要求。
2. 辦公自動(dòng)化機(jī)器和游戲機(jī)：為設(shè)備中的電機(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和良好的用戶體驗(yàn)。
3. 工廠自動(dòng)化和機(jī)器人：在工業(yè)環(huán)境中，對(duì)電機(jī)的可靠性和性能要求極高。DRV8841的多種保護(hù)功能和寬電壓范圍使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，為自動(dòng)化生產(chǎn)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)提供可靠的動(dòng)力支持。

三、詳細(xì)特性分析

（一）PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)

DRV8841包含兩個(gè)帶有電流控制PWM電路的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)控制電路通過(guò)PWM信號(hào)對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，所有VM引腳必須連接到電機(jī)電源電壓，以確保穩(wěn)定的供電。

（二）消隱時(shí)間

在H橋中電流啟用后，xISEN引腳的電壓在固定的3.75μs時(shí)間內(nèi)被忽略，然后才啟用電流檢測(cè)電路。這個(gè)消隱時(shí)間不僅避免了電流檢測(cè)的干擾，還設(shè)定了PWM的最小導(dǎo)通時(shí)間。

（三）橋控制

（四）電流調(diào)節(jié)

電機(jī)繞組中的電流通過(guò)固定頻率的PWM電流調(diào)節(jié)（電流斬波）進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)H橋啟用時(shí)，電流根據(jù)繞組的直流電壓和電感以一定速率上升。一旦電流達(dá)到斬波閾值，橋?qū)㈥P(guān)閉電流，直到下一個(gè)PWM周期開(kāi)始。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，電流調(diào)節(jié)可用于微步進(jìn)控制；對(duì)于直流電機(jī)，可用于限制啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)電流。如果不需要電流調(diào)節(jié)功能，可以將xISENSE引腳直接接地，xVREF引腳連接到V3P3。PWM斬波電流由比較器設(shè)置，它將連接到xISEN引腳的電流檢測(cè)電阻兩端的電壓乘以5后與參考電壓進(jìn)行比較。參考電壓從xVREF引腳輸入，并通過(guò)2位DAC進(jìn)行縮放，允許設(shè)置100%、71%、38%的滿量程電流以及零電流。計(jì)算公式如下： [I{CHOP }=frac{V{REFX }}{5 × R_{ISENSE }}]

（五）衰減模式

在PWM電流斬波期間，H橋驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電機(jī)繞組，直到達(dá)到PWM電流斬波閾值。此時(shí)，H橋可以進(jìn)入三種不同的衰減模式：

1. 快速衰減模式：達(dá)到斬波電流閾值后，H橋反轉(zhuǎn)狀態(tài)，允許繞組電流反向流動(dòng)。當(dāng)繞組電流接近零時(shí)，橋關(guān)閉以防止反向電流流動(dòng)。
2. 慢速衰減模式：通過(guò)啟用橋中的兩個(gè)低側(cè)FET，使繞組電流再循環(huán)。
3. 混合衰減模式：開(kāi)始為快速衰減，在固定的PWM周期的75%時(shí)間后切換到慢速衰減模式。衰減模式由DECAY引腳的狀態(tài)選擇，邏輯低選擇慢速衰減，開(kāi)路選擇混合衰減，邏輯高設(shè)置快速衰減模式。該引腳具有約130kΩ的內(nèi)部上拉電阻和約80kΩ的內(nèi)部下拉電阻。

（六）保護(hù)電路

DRV8841具備完善的保護(hù)功能，確保芯片和電機(jī)在各種異常情況下的安全：

1. 過(guò)流保護(hù)（OCP）：每個(gè)FET上的模擬電流限制電路通過(guò)移除柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)限制電流。如果模擬電流限制持續(xù)時(shí)間超過(guò)OCP時(shí)間，H橋中的所有FET將被禁用，nFAULT引腳將被拉低。設(shè)備將保持禁用狀態(tài)，直到施加nRESET引腳信號(hào)或移除并重新施加VM電壓。
2. 熱關(guān)斷（TSD）：如果芯片溫度超過(guò)安全限制，H橋中的所有FET將被禁用，nFAULT引腳將被拉低。當(dāng)芯片溫度降至安全水平時(shí)，操作將自動(dòng)恢復(fù)。
3. 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng)VM引腳的電壓低于欠壓鎖定閾值電壓時(shí)，設(shè)備中的所有電路將被禁用，內(nèi)部邏輯將被復(fù)位。當(dāng) (V_{M}) 上升到UVLO閾值以上時(shí)，操作將恢復(fù)。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

（一）典型應(yīng)用電路

以控制雙極步進(jìn)電機(jī)為例，DRV8841的典型應(yīng)用電路如下：

（二）設(shè)計(jì)要求

（三）詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 電流調(diào)節(jié)：在步進(jìn)電機(jī)中，設(shè)定的滿量程電流 (I{FS}) 是通過(guò)任一繞組的最大電流，它取決于xVREF模擬電壓和檢測(cè)電阻值 (R{SENSE}) 。計(jì)算公式如下： [I{FS}(A)=frac{x V R E F(V)}{A{v} × R{SENSE }(Omega)}=frac{x V R E F(V)}{5 × R{SENSE }(Omega)}] 為了實(shí)現(xiàn) (I{FS}=1.25 ~A) ，當(dāng) (R{SENSE}) 為0.2Ω時(shí)，xVREF應(yīng)為1.25V。
2. 衰減模式選擇：DRV8841支持三種不同的衰減模式，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的衰減模式可以優(yōu)化電機(jī)的性能。在電機(jī)繞組電流達(dá)到斬波閾值后，DRV8841將繞組置于其中一種衰減模式，直到PWM周期結(jié)束，然后開(kāi)始新的驅(qū)動(dòng)階段。消隱時(shí)間 (t{BLANK}) 定義了電流斬波的最小驅(qū)動(dòng)時(shí)間，在 (t{BLANK}) 期間， (I_{TRIP}) 被忽略，繞組電流可能會(huì)超過(guò)跳閘水平。
3. 檢測(cè)電阻選擇：為了獲得最佳性能，檢測(cè)電阻應(yīng)滿足以下要求：
   • 表面貼裝，以減小寄生參數(shù)。
   • 低電感，避免電感對(duì)電流檢測(cè)的影響。
   • 額定功率足夠高，以承受電機(jī)電流產(chǎn)生的功率損耗。
   • 放置在靠近電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的位置，減少信號(hào)干擾。檢測(cè)電阻的功率損耗計(jì)算公式為 (P = I_{rms}^{2} ×R) 。例如，如果電機(jī)的RMS電流為2A，使用0.1Ω的檢測(cè)電阻，則電阻的功率損耗為 (2 A^{2} ×0.1Omega = 0.4 ~W) 。由于功率電阻通常比標(biāo)準(zhǔn)電阻更大、更昂貴，因此常見(jiàn)的做法是在檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和地之間并聯(lián)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻，以分散電流和熱量。

五、電源和布局建議

（一）電源設(shè)計(jì)

DRV8841的工作電源電壓范圍為8.2V至45V，在設(shè)計(jì)電源時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 局部去耦電容：在VMA和VMB引腳分別使用兩個(gè)額定電壓為VMx的0.1-μF陶瓷電容，盡可能靠近引腳放置，以提供高頻去耦。
2. 大容量電容：除了局部去耦電容外，還需要根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適的大容量電容。大容量電容的大小取決于多種因素，如電源類型、可接受的電源電壓紋波、電源布線中的寄生電感、電機(jī)類型、電機(jī)啟動(dòng)電流和電機(jī)制動(dòng)方法等。數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)提供建議值，但需要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試來(lái)確定合適的大容量電容。

（二）布局設(shè)計(jì)

合理的布局設(shè)計(jì)對(duì)于DRV8841的性能至關(guān)重要，以下是一些布局指南：

1. VMA和VMB引腳：使用低ESR的陶瓷旁路電容（推薦值為0.1-μF，額定電壓為VMx）將VMA和VMB引腳旁路到GND。電容應(yīng)盡可能靠近引腳放置，并使用粗走線或接地平面連接到設(shè)備的GND引腳。
2. CP1和CP2引腳：在CP1和CP2引腳之間放置一個(gè)低ESR的陶瓷電容（推薦值為0.01-μF，額定電壓為VMx），并盡可能靠近引腳。
3. VMA和VCP引腳：在VMA和VCP引腳之間放置一個(gè)低ESR的陶瓷電容（推薦值為0.1-μF，額定電壓為16V），并盡可能靠近引腳。同時(shí)，在VCP和VMA之間放置一個(gè)1-MΩ電阻。
4. V3P3引腳：使用額定電壓為6.3V的陶瓷電容將V3P3旁路到地，并盡可能靠近引腳。

（三）熱考慮

DRV8841具有熱關(guān)斷（TSD）功能，如果芯片溫度超過(guò)約150°C，設(shè)備將被禁用，直到溫度降至安全水平。為了避免芯片進(jìn)入TSD狀態(tài)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 功率損耗計(jì)算：DRV8841的功率損耗主要由輸出FET的導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)}) 決定。每個(gè)H橋在運(yùn)行直流電機(jī)時(shí)的平均功率損耗可以大致估算如下： [P = 2 × R{DS(ON)} × I{OUT}^{2}] 其中，P是一個(gè)H橋的功率損耗， (R{DS(ON)}) 是每個(gè)FET的電阻， (I{OUT}) 是施加到每個(gè)繞組的RMS輸出電流。總設(shè)備損耗是兩個(gè)H橋的功率損耗之和。由于 (R{DS(ON)}) 隨溫度升高而增加，因此在設(shè)計(jì)散熱片時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。
2. 散熱設(shè)計(jì)：PowerPAD?封裝使用外露焊盤來(lái)散熱，為了確保良好的散熱效果，需要將該焊盤與PCB上的銅層進(jìn)行熱連接。在多層PCB上，可以通過(guò)添加多個(gè)過(guò)孔將熱焊盤連接到接地平面；在沒(méi)有內(nèi)部平面的PCB上，可以在PCB的兩側(cè)添加銅面積來(lái)散熱。如果銅面積在PCB的另一側(cè)，可以使用熱過(guò)孔將熱量從頂層傳遞到底層。

六、總結(jié)

DRV8841是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的雙H橋驅(qū)動(dòng)IC，具有多種先進(jìn)的特性和完善的保護(hù)功能。它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，能夠滿足不同電子工程師在設(shè)計(jì)中的各種需求。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇參數(shù)和應(yīng)用電路，同時(shí)注意電源和布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮DRV8841的優(yōu)勢(shì)。希望通過(guò)本文的介紹，能夠幫助電子工程師更好地了解和使用DRV8841，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的靈感和解決方案。大家在使用DRV8841的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。