深度解析 DRV8870：性能卓越的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是至關(guān)重要的。今天，咱們就來深入剖析德州儀器（TI）的 DRV8870 有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，看看它有哪些獨(dú)特之處，以及如何在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮其最大效能。

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關(guān)鍵特性一覽

強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力

DRV8870 采用 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，能夠驅(qū)動(dòng)一臺(tái)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)繞組或其他負(fù)載。其工作電壓范圍寬廣，從 6.5V 到 45V，典型的 (R_{DS(on)})（高側(cè) + 低側(cè)）為 565mΩ，具備 3.6A 的峰值電流驅(qū)動(dòng)能力，這使得它在各種不同功率需求的應(yīng)用場景中都能游刃有余。

靈活的控制方式

它配備了 PWM 控制接口，通過脈沖寬度調(diào)制可以輕松控制電機(jī)的速度。同時(shí)，還集成了電流調(diào)節(jié)功能，基于模擬輸入 VREF 和 ISEN 引腳電壓（與電機(jī)電流成正比），能夠?qū)㈦娏飨拗圃谝阎剑@著降低系統(tǒng)的功率需求和維持穩(wěn)定電壓所需的大容量電容，特別是在電機(jī)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)的情況下，優(yōu)勢更為明顯。

低功耗與小體積

該驅(qū)動(dòng)器具備低功耗睡眠模式，當(dāng)兩個(gè)邏輯輸入都置低時(shí)，即可進(jìn)入此模式，大大降低了系統(tǒng)的功耗。并且它采用了 8 引腳 HSOP 帶 PowerPAD? 封裝，尺寸僅為 4.9 × 6.0mm，節(jié)省了電路板空間，非常適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。

完善的保護(hù)機(jī)制

DRV8870 集成了多種保護(hù)功能，包括 VM 欠壓鎖定（UVLO）、過流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）以及自動(dòng)故障恢復(fù)功能。一旦出現(xiàn)故障，這些保護(hù)機(jī)制能夠迅速響應(yīng)，確保驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的安全，當(dāng)故障條件消除后，又能自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

DRV8870 的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋了打印機(jī)、家電、工業(yè)設(shè)備以及其他機(jī)電一體化應(yīng)用等。在這些應(yīng)用中，它的高性能和可靠性得到了充分的驗(yàn)證。

詳細(xì)的功能解析

橋控制

DRV8870 的輸出由四個(gè) N 溝道 MOSFET 組成，通過兩個(gè)邏輯輸入 IN1 和 IN2 進(jìn)行控制。這兩個(gè)輸入可以設(shè)置為靜態(tài)電壓實(shí)現(xiàn) 100% 占空比驅(qū)動(dòng)，也可以進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM）來實(shí)現(xiàn)可變電機(jī)速度。通過不同的輸入組合，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和滑行等功能，為電機(jī)控制提供了豐富的選擇。

睡眠模式

當(dāng) IN1 和 IN2 引腳都為低電平持續(xù)時(shí)間 t (SLEEP)（典型值為 1ms）時(shí)，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入低功耗睡眠模式，此時(shí)輸出保持高阻態(tài)，僅消耗 I (VMSLEEP)（μA）的電流。當(dāng)輸入引腳變?yōu)楦唠娖街辽?5μs 后，驅(qū)動(dòng)器在 50μs（(t_{ON})）后恢復(fù)正常工作，這種模式有效地降低了系統(tǒng)的功耗。

電流調(diào)節(jié)

驅(qū)動(dòng)器根據(jù)模擬輸入 VREF 和 ISEN 引腳的外部檢測電阻的阻值來限制輸出電流，計(jì)算公式為 (TRIP (A)=frac{VREF(V)}{A{v} × R{ISEN }(Omega)}=frac{VREF(V)}{10 × R_{ISEN }(Omega)})。當(dāng)達(dá)到跳閘電流 I (TRIP) 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)通過啟用兩個(gè)低側(cè) FET 來強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)緩慢電流衰減，持續(xù)時(shí)間為 t (OFF)（典型值為 25μs），之后根據(jù)輸入重新啟用輸出。

死區(qū)時(shí)間

在輸出從高電平驅(qū)動(dòng)切換到低電平驅(qū)動(dòng)，或者從低電平驅(qū)動(dòng)切換到高電平驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)自動(dòng)插入死區(qū)時(shí)間 (t_{DEAD})，以防止直通現(xiàn)象的發(fā)生，確保驅(qū)動(dòng)器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

保護(hù)電路

• VM 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng) VM 引腳電壓低于欠壓鎖定閾值時(shí)，H 橋中的所有 FET 都會(huì)被禁用，直到 VM 電壓上升到閾值以上才會(huì)恢復(fù)運(yùn)行。
• 過流保護(hù)（OCP）：如果輸出電流超過 OCP 閾值 I (OCP) 并持續(xù)超過 t (OCP) 時(shí)間，H 橋中的所有 FET 會(huì)被禁用一段時(shí)間 t (RETRY)，之后根據(jù)輸入狀態(tài)重新啟用。如果過流故障仍然存在，這個(gè)過程會(huì)重復(fù)進(jìn)行，直到故障消除。
• 熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)芯片溫度超過安全限制時(shí)，H 橋中的所有 FET 會(huì)被禁用，當(dāng)溫度下降到安全水平后，自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

設(shè)計(jì)與應(yīng)用要點(diǎn)

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

在典型應(yīng)用中，需要根據(jù)電機(jī)的額定參數(shù)和工作要求，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，如電機(jī)電壓、RMS 電流、啟動(dòng)電流、電流跳閘點(diǎn)、VREF 電壓、檢測電阻和 PWM 頻率等。同時(shí)，要注意正確連接各個(gè)引腳，確保驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的正常工作。

電源供應(yīng)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，適當(dāng)?shù)谋镜卮笕萘侩娙菔欠浅Ｖ匾?。它的大小需要綜合考慮電機(jī)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(jī)系統(tǒng)之間的寄生電感、可接受的電壓紋波、電機(jī)類型和制動(dòng)方法等因素。一般來說，大容量電容越大越好，但會(huì)增加成本和物理尺寸，因此需要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測試，以確定合適的電容大小。

布局設(shè)計(jì)

在電路板布局時(shí)，要遵循一定的原則。例如，大容量電容應(yīng)盡量靠近電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以減少高電流路徑的長度；連接金屬走線應(yīng)盡可能寬，并使用多個(gè)過孔連接不同的 PCB 層，以降低電感；小容量電容應(yīng)采用陶瓷電容，并靠近器件引腳放置；高電流輸出應(yīng)使用寬金屬走線；器件的散熱墊應(yīng)焊接到 PCB 頂層接地平面，并通過多個(gè)過孔連接到大面積底層接地平面，以提高散熱效果。

散熱考慮

由于 DRV8870 在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，因此散熱問題不容忽視。它具備熱關(guān)斷（TSD）功能，當(dāng)芯片溫度超過約 175°C 時(shí)，器件會(huì)被禁用，直到溫度下降到滯后溫度以下。如果器件容易進(jìn)入 TSD 狀態(tài)，可能意味著存在過度功耗、散熱不足或環(huán)境溫度過高等問題，需要采取相應(yīng)的措施，如增加散熱片、優(yōu)化 PCB 布局等。

總結(jié)

DRV8870 作為一款性能卓越的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，憑借其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、靈活的控制方式、低功耗和完善的保護(hù)機(jī)制，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，我們需要充分了解其特性和應(yīng)用要點(diǎn)，合理進(jìn)行設(shè)計(jì)和布局，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否也遇到過類似的電機(jī)驅(qū)動(dòng)問題呢？歡迎一起交流探討。