DRV8876 H橋電機(jī)驅(qū)動器：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點(diǎn)

在電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，一款性能出色的驅(qū)動器對于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。今天我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）的DRV8876 H橋電機(jī)驅(qū)動器，它具有諸多優(yōu)秀特性，適用于多種應(yīng)用場景。

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一、DRV8876的特性亮點(diǎn)

1. 靈活的驅(qū)動能力

DRV8876是一款N通道H橋電機(jī)驅(qū)動器，它既可以驅(qū)動一個雙向有刷直流電機(jī)，也能驅(qū)動兩個單向有刷直流電機(jī)，還能適配其他電阻性和電感性負(fù)載。這種靈活性使得它在不同的應(yīng)用場景中都能大顯身手。

2. 寬工作電壓范圍

其工作電源電壓范圍為4.5 - 37V，這意味著它可以適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，無論是電池供電還是直流電源供電都能穩(wěn)定工作。

3. 不同的導(dǎo)通電阻選項(xiàng)

與DRV8874相比，DRV8876的Pin to pin (R_{DS(on)}) 為700 - mΩ（高側(cè) + 低側(cè)），而DRV8874為200 - mΩ（高側(cè) + 低側(cè)）。不同的導(dǎo)通電阻可以滿足不同負(fù)載的需求，設(shè)計者可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

4. 高輸出電流能力

DRV8876的峰值輸出電流可達(dá)3.5A，能夠?yàn)樨?fù)載提供足夠的動力支持。

5. 集成電流感測與調(diào)節(jié)

它集成了電流感測和調(diào)節(jié)功能，通過IPROPI引腳輸出與負(fù)載電流成比例的電流。并且，電流調(diào)節(jié)模式（IMODE）可選，有逐周期或固定關(guān)斷時間兩種模式，方便根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行配置。

6. 多種輸入控制模式

支持PH/EN和PWM H橋控制模式，以及獨(dú)立半橋控制模式，可通過PMODE引腳進(jìn)行選擇。這使得它能夠適應(yīng)不同的控制需求，為設(shè)計者提供了更多的靈活性。

7. 支持多種邏輯輸入電壓

能夠支持1.8V、3.3V和5V的邏輯輸入，方便與不同的控制器進(jìn)行接口。

8. 超低功耗睡眠模式

在 (V{VM}=24V)、(T{J}=25^{circ}C) 的條件下，睡眠模式電流小于1μA，能夠有效降低系統(tǒng)功耗，延長電池續(xù)航時間。

9. 低電磁干擾

采用擴(kuò)頻時鐘技術(shù)，降低了電磁干擾（EMI），提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

10. 集成保護(hù)功能

具備欠壓鎖定（UVLO）、電荷泵欠壓（CPUV）、過流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）等多種保護(hù)功能，并且在故障發(fā)生時會通過nFAULT引腳進(jìn)行指示，同時還支持自動故障恢復(fù)，大大提高了設(shè)備的可靠性。

二、應(yīng)用場景廣泛

DRV8876的應(yīng)用場景十分豐富，涵蓋了多個領(lǐng)域：

1. 有刷直流電機(jī)驅(qū)動

在各種有刷直流電機(jī)的應(yīng)用中，如打印機(jī)、掃描儀、智能電表等設(shè)備中，DRV8876能夠提供穩(wěn)定的驅(qū)動電流，保證電機(jī)的正常運(yùn)行。

2. 家電產(chǎn)品

無論是大型家電還是小型家電，如真空吸塵器、人形機(jī)器人、玩具機(jī)器人等，都可以使用DRV8876來驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)各種功能。

3. 金融設(shè)備

在ATM機(jī)、貨幣計數(shù)器和EPOS等設(shè)備中，DRV8876可以驅(qū)動伺服電機(jī)和執(zhí)行器，確保設(shè)備的精確操作。

三、詳細(xì)功能解析

1. 整體架構(gòu)與工作原理

DRV887x系列設(shè)備集成了N通道H橋、電荷泵調(diào)節(jié)器、電流感測和調(diào)節(jié)、電流比例輸出以及保護(hù)電路。電荷泵的存在使得高側(cè)和低側(cè)N通道MOSFET都能高效工作，并且支持100%占空比。設(shè)備通過單一電源輸入（VM）供電，可以直接連接電池或直流電壓源。nSLEEP引腳提供超低功耗模式，在系統(tǒng)不工作時減少電流消耗。

2. 電流感測與調(diào)節(jié)機(jī)制

通過內(nèi)部電流鏡架構(gòu)，在低側(cè)功率MOSFET上實(shí)現(xiàn)電流感測。IPROPI引腳輸出與MOSFET電流成比例的小電流，可通過連接外部電阻（(R_{IPROPI})）將其轉(zhuǎn)換為比例電壓。這種集成電流感測方式相比傳統(tǒng)的外部分流電阻感測具有明顯優(yōu)勢，它能夠在驅(qū)動和制動的低側(cè)慢衰減期間都提供電流信息，并且無需外部功率分流電阻。同時，通過VREF引腳可以在電機(jī)運(yùn)行時配置關(guān)斷時間PWM電流調(diào)節(jié)水平，以滿足系統(tǒng)對負(fù)載電流的要求。

3. 控制模式詳解

PH/EN控制模式（PMODE = 邏輯低）

當(dāng)PMODE引腳在上電時為邏輯低時，設(shè)備進(jìn)入PH/EN模式。該模式允許通過速度和方向類型的接口控制H橋，適用于需要精確控制電機(jī)速度和方向的應(yīng)用。

PWM控制模式（PMODE = 邏輯高）

PMODE引腳為邏輯高時，設(shè)備進(jìn)入PWM模式。在這種模式下，H橋可以在不將nSLEEP引腳置為邏輯低的情況下進(jìn)入高阻態(tài)，方便進(jìn)行靈活控制。

獨(dú)立半橋控制模式（PMODE = Hi - Z）

當(dāng)PMODE引腳為Hi - Z時，設(shè)備進(jìn)入獨(dú)立半橋控制模式。此模式下，每個半橋可以獨(dú)立控制，適用于需要分別控制兩個負(fù)載的應(yīng)用。不過在該模式下，內(nèi)部電流調(diào)節(jié)功能會自動禁用。

4. 保護(hù)電路

DRV8876具備完善的保護(hù)電路，能夠在各種故障情況下保護(hù)設(shè)備和負(fù)載：

電源欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)VM引腳的電源電壓低于欠壓鎖定閾值時，H橋中的所有MOSFET將被禁用，nFAULT引腳拉低。當(dāng)電壓恢復(fù)正常后，設(shè)備將恢復(fù)正常運(yùn)行。

電荷泵欠壓鎖定（CPUV）

若VCP引腳的電荷泵電壓低于欠壓鎖定閾值，H橋MOSFET將被禁用，nFAULT引腳拉低，電壓恢復(fù)后正常運(yùn)行。

過流保護(hù)（OCP）

當(dāng)輸出電流超過過流閾值且持續(xù)時間超過設(shè)定值時，H橋MOSFET將被禁用，nFAULT引腳拉低。過流響應(yīng)可以通過IMODE引腳進(jìn)行配置，有自動重試和輸出鎖存兩種模式。

熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)器件結(jié)溫超過熱關(guān)斷閾值時，H橋MOSFET將被禁用，nFAULT引腳拉低。當(dāng)溫度下降到閾值以下時，設(shè)備將恢復(fù)正常運(yùn)行。

四、設(shè)計要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

1. 典型應(yīng)用設(shè)計

主應(yīng)用設(shè)計

在主應(yīng)用中，通常使用H橋配置驅(qū)動外部負(fù)載（如直流有刷電機(jī)）。通過外部控制器的PWM和IO資源控制EN/IN1和PH/IN2引腳，設(shè)置PMODE引腳為GND以選擇PH/EN控制模式。通過外部電阻分壓器設(shè)置電流限制閾值，將IMODE引腳接地選擇固定關(guān)斷時間電流調(diào)節(jié)方案。同時，使用控制器的ADC監(jiān)測 (R_{IPROPI}) 兩端的電壓，以監(jiān)測負(fù)載電流。

替代應(yīng)用設(shè)計

在替代應(yīng)用中，采用雙半橋配置驅(qū)動兩個外部負(fù)載。將PMODE引腳浮空選擇獨(dú)立半橋控制模式，由于該模式下內(nèi)部電流調(diào)節(jié)功能禁用，將VREF引腳連接到控制器的電源參考電壓。同樣，使用ADC監(jiān)測 (R_{IPROPI}) 兩端的電壓，以監(jiān)測總負(fù)載電流。

2. 電源設(shè)計

在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中，適當(dāng)?shù)谋镜卮笕萘?a href="http://www.makelele.cn/tags/電容/" target="_blank">電容至關(guān)重要。大容量電容可以在電機(jī)需要大電流時提供穩(wěn)定的電源，減少電壓波動。但電容容量過大會增加成本和物理尺寸，因此需要根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。一般來說，數(shù)據(jù)手冊會提供推薦的最小電容值，但實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)行系統(tǒng)級測試來確定合適的電容大小。

3. 布局設(shè)計

由于DRV887x系列設(shè)備能夠驅(qū)動大電流，因此布局設(shè)計和外部元件的放置需要特別注意：

• 建議使用低ESR的陶瓷電容作為VM到GND的旁路電容、VCP到VM的電荷泵存儲電容以及電荷泵飛跨電容，推薦使用X5R和X7R類型。
• 將VM電源和VCP、CPH、CPL電荷泵電容盡可能靠近設(shè)備放置，以減少環(huán)路電感。
• VM電源大容量電容可以是陶瓷或電解類型，也應(yīng)靠近設(shè)備放置。
• 對于承載大電流的VM、OUT1、OUT2和PGND走線，應(yīng)使用盡可能厚的金屬布線。
• PGND和GND應(yīng)直接在PCB接地平面上連接，不應(yīng)相互隔離。
• 將設(shè)備的散熱焊盤通過散熱過孔連接到PCB頂層接地平面和內(nèi)部接地平面（如果有），以提高散熱效果。

五、總結(jié)

DRV8876 H橋電機(jī)驅(qū)動器以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場景和完善的保護(hù)功能，成為電子工程師在電機(jī)驅(qū)動設(shè)計中的一個優(yōu)秀選擇。在實(shí)際設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇控制模式、配置電流調(diào)節(jié)參數(shù)，并注意電源和布局設(shè)計等要點(diǎn)，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和良好性能。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和使用DRV8876這款驅(qū)動器。你在使用電機(jī)驅(qū)動器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。