DRV8871：高性能有刷直流電機驅(qū)動芯片的深度解析

在電子工程師的日常工作中，電機驅(qū)動芯片的選擇至關(guān)重要，它直接影響到電機的性能和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的DRV8871有刷直流電機驅(qū)動芯片。

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1. 芯片特性亮點

1.1 高適應(yīng)性的驅(qū)動能力

DRV8871是一款H橋電機驅(qū)動器，它的應(yīng)用范圍十分廣泛，可以驅(qū)動一臺直流電機、步進電機的一個繞組或者其他負載。其6.5 - 45V的寬工作電壓范圍，讓它能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，無論是小型設(shè)備還是工業(yè)級應(yīng)用，都能輕松應(yīng)對。

1.2 出色的電氣性能

典型的565 - mΩ (R_{DS(on)})（高側(cè) + 低側(cè)），有效降低了導(dǎo)通損耗，提高了能源效率。3.6 - A的峰值電流驅(qū)動能力，能夠滿足大多數(shù)電機的啟動和運行需求。

1.3 靈活的控制方式

采用PWM控制接口，工程師可以方便地通過脈沖寬度調(diào)制來控制電機的速度。而且，它還具備無檢測電阻的電流調(diào)節(jié)功能，這不僅簡化了電路設(shè)計，還降低了成本。

1.4 低功耗與小封裝

低功耗睡眠模式的設(shè)計，在電機不需要運行時可以大大降低功耗，延長設(shè)備的續(xù)航時間。同時，其8 - 引腳HSOP封裝搭配PowerPAD?，尺寸僅為4.9 × 6 mm，節(jié)省了電路板空間，非常適合對體積有嚴格要求的應(yīng)用。

1.5 完善的保護機制

集成了多種保護功能，如VM欠壓鎖定（UVLO）、過流保護（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）以及自動故障恢復(fù)功能，確保了芯片在各種異常情況下的安全性和可靠性，減少了設(shè)備損壞的風險。

2. 芯片應(yīng)用場景

DRV8871的應(yīng)用場景豐富多樣，涵蓋了打印機、家電、工業(yè)設(shè)備以及其他機電一體化應(yīng)用等領(lǐng)域。在打印機中，它可以精確控制打印頭的移動；在家電中，能夠驅(qū)動風扇、水泵等電機；在工業(yè)設(shè)備里，為各種小型機器提供動力支持。

3. 芯片詳細剖析

3.1 功能概述

DRV8871專為打印機、家電、工業(yè)設(shè)備和其他小型機器中的有刷直流電機驅(qū)動而設(shè)計。通過兩個邏輯輸入控制由四個N溝道MOSFET組成的H橋驅(qū)動器，可實現(xiàn)電機的雙向控制，峰值電流高達3.6A。輸入可以進行脈沖寬度調(diào)制來控制電機速度，并且有多種電流衰減模式可供選擇。當兩個輸入都置低時，芯片進入低功耗睡眠模式。

3.2 引腳功能

3.3 規(guī)格參數(shù)

3.3.1 絕對最大額定值

在正常工作的自由空氣溫度范圍內(nèi)，電源電壓（VM）的范圍是 - 0.3 - 50V，邏輯輸入電壓（IN1、IN2）為 - 0.3 - 7V，連續(xù)相節(jié)點引腳電壓（OUT1、OUT2）為 - 0.7 - VM + 0.7V，輸出電流（100%占空比）最大為3.5A，工作結(jié)溫范圍是 - 40 - 150°C，存儲溫度范圍是 - 65 - 150°C。需要注意的是，超過這些絕對最大額定值可能會對芯片造成永久性損壞。

3.3.2 ESD額定值

人體模型（HBM）的ESD額定值為±6000V，帶電設(shè)備模型（CDM）的ESD額定值為±750V，這表明芯片具有一定的靜電防護能力，但在使用過程中仍需注意靜電防護措施。

3.3.3 推薦工作條件

推薦的電源電壓（VM）為6.5 - 45V，邏輯輸入電壓（IN1、IN2）為0 - 5.5V，PWM頻率為0 - 200kHz，峰值輸出電流為0 - 3.6A，工作環(huán)境溫度為 - 40 - 125°C。在這些條件下，芯片能夠穩(wěn)定可靠地工作。

3.3.4 熱信息

芯片的熱阻參數(shù)對于散熱設(shè)計非常重要。例如，結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）為41.1°C / W，結(jié)到電路板的熱阻（RθJB）為23.1°C / W等。了解這些參數(shù)有助于工程師合理設(shè)計散熱方案，確保芯片在正常溫度范圍內(nèi)工作。

3.4 特性描述

3.4.1 橋控制

DRV8871的輸出由四個N溝道MOSFET組成，通過兩個邏輯輸入IN1和IN2進行控制。根據(jù)不同的輸入組合，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動和滑行等功能。輸入可以設(shè)置為靜態(tài)電壓實現(xiàn)100%占空比驅(qū)動，也可以進行脈沖寬度調(diào)制實現(xiàn)可變電機速度。

3.4.2 睡眠模式

當IN1和IN2都為低電平持續(xù)約1ms時，芯片進入低功耗睡眠模式，此時輸出保持高阻態(tài)，電流消耗僅為微安級。當IN1或IN2變?yōu)楦唠娖街辽?μs后，芯片在50μs后恢復(fù)正常工作。

3.4.3 電流調(diào)節(jié)

芯片通過連接到ILIM引腳的標準電阻來限制輸出電流，計算公式為 (I{TRIP }(A)=frac{V{LLIM }(kV)}{R{LLIM}(k Omega)}=frac{64(kV)}{R{LLIM}(k Omega)})。當達到電流限制值時，芯片會通過啟用兩個低側(cè)FET來實現(xiàn)緩慢電流衰減，持續(xù)時間約為25μs。

3.4.4 死區(qū)時間

在輸出從高電平切換到低電平或從低電平切換到高電平時，會自動插入死區(qū)時間，以防止直通現(xiàn)象的發(fā)生。死區(qū)時間（tDEAD）約為220ns。

3.4.5 保護電路

芯片具備完善的保護電路，包括VM欠壓鎖定（UVLO）、過流保護（OCP）和熱關(guān)斷（TSD）。當出現(xiàn)故障時，H橋驅(qū)動器會被禁用，故障排除后會自動恢復(fù)正常工作。

3.5 設(shè)備功能模式

3.5.1 PWM帶電流調(diào)節(jié)

這種模式充分利用了芯片的所有功能。將電流限制值（ITRIP）設(shè)置在正常工作電流之上，既能保證電機有足夠的啟動時間，又能將電流限制在所需水平。通過調(diào)節(jié)一個輸入的占空比來控制電機速度，另一個輸入保持靜態(tài)，通常在關(guān)斷時間使用制動/緩慢衰減模式。

3.5.2 PWM不帶電流調(diào)節(jié)

如果不需要電流調(diào)節(jié)功能，可以在ILIM引腳連接一個15 - kΩ至18 - kΩ的電阻。這種模式下，芯片能夠提供高達3.6A的峰值電流，但如果電流超過該值，可能會觸發(fā)過流保護或熱關(guān)斷。

3.5.3 靜態(tài)輸入帶電流調(diào)節(jié)

將IN1和IN2設(shè)置為高電平或低電平實現(xiàn)100%占空比驅(qū)動，通過電流限制值（ITRIP）來控制電機的電流、速度和扭矩。

3.5.4 VM控制

在某些系統(tǒng)中，可以通過改變VM電壓來調(diào)節(jié)電機速度。

4. 應(yīng)用與實現(xiàn)

4.1 典型應(yīng)用

DRV8871通常用于驅(qū)動一臺有刷直流電機。典型的應(yīng)用電路中，需要連接合適的電源、電機和控制信號。例如，電源電壓范圍為6.5 - 45V，同時需要連接0.1 - μF的旁路電容和足夠的大容量電容來穩(wěn)定電源。

4.2 設(shè)計要求與步驟

在設(shè)計過程中，需要考慮電機的電壓、RMS電流、啟動電流、電流跳閘點、ILIM電阻和PWM頻率等參數(shù)。例如，選擇合適的電機電壓可以根據(jù)電機的額定參數(shù)和所需的轉(zhuǎn)速來確定，較高的電壓可以使電機轉(zhuǎn)速更快，但也會增加電流變化率。

4.3 應(yīng)用曲線

文檔中提供了一些應(yīng)用曲線，如不同電壓下的電流上升曲線、電流調(diào)節(jié)曲線和過流保護曲線等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解芯片在不同條件下的性能，從而進行更優(yōu)化的設(shè)計。

5. 電源與布局建議

5.1 電源建議

在電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中，合適的本地大容量電容至關(guān)重要。它可以減少電源電壓的波動，確保電機能夠穩(wěn)定地獲得所需的電流。電容的選擇需要考慮電機系統(tǒng)所需的最大電流、電源的電容和供電能力、電源與電機系統(tǒng)之間的寄生電感、可接受的電壓紋波等因素。

5.2 布局建議

5.2.1 布局準則

大容量電容應(yīng)盡量靠近電機驅(qū)動芯片，以減少高電流路徑的長度。連接的金屬走線應(yīng)盡可能寬，并且在連接電路板層時使用多個過孔，以降低電感。小值電容應(yīng)使用陶瓷電容，并靠近芯片引腳放置。高電流設(shè)備輸出應(yīng)使用寬金屬走線，芯片的散熱焊盤應(yīng)焊接到電路板頂層接地平面，并使用多個過孔連接到大型底層接地平面，以提高散熱效率。

5.2.2 布局示例

文檔中提供了推薦的布局和元件放置示例，工程師可以參考這些示例進行實際的電路板設(shè)計。

5.2.3 熱考慮

芯片具備熱關(guān)斷功能，如果芯片溫度超過約175°C，芯片會自動禁用，直到溫度降至安全范圍。因此，在設(shè)計過程中需要考慮散熱問題，確保芯片的溫度在正常范圍內(nèi)。

5.2.4 功耗計算

芯片的功耗主要由輸出FET的導(dǎo)通電阻（(R{DS(on)})）決定?？梢允褂霉?(Power approx I{RMS}^{2} timesleft(right. High - side left.R{DS(ON)}+ Low - side left.R{DS(ON)}right)right)) 來估算平均功耗。在啟動時，電流會比正常運行時高很多，因此需要考慮峰值電流及其持續(xù)時間。

6. 設(shè)備與文檔支持

6.1 文檔支持

德州儀器提供了豐富的文檔資源，包括相關(guān)的應(yīng)用筆記、評估模塊文檔等。這些文檔可以幫助工程師更好地了解芯片的性能和使用方法。

6.2 社區(qū)資源

TI E2E?在線社區(qū)是一個很好的交流平臺，工程師可以在上面提問、分享知識、探索想法和解決問題。同時，TI還提供了設(shè)計支持工具和技術(shù)支持聯(lián)系方式，方便工程師獲取幫助。

6.3 靜電放電注意事項

由于芯片的內(nèi)置ESD保護有限，在存儲或處理芯片時，應(yīng)將引腳短路或放置在導(dǎo)電泡沫中，以防止MOS柵極受到靜電損壞。

總結(jié)

DRV8871是一款性能出色、功能豐富的有刷直流電機驅(qū)動芯片，它在寬電壓范圍、高電流驅(qū)動、靈活控制和完善保護等方面表現(xiàn)優(yōu)異。通過合理的電源設(shè)計和電路板布局，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，為各種電機驅(qū)動應(yīng)用提供可靠的解決方案。作為電子工程師，在選擇電機驅(qū)動芯片時，DRV8871無疑是一個值得考慮的選項。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。