DRV8841双H桥驱动IC：高性能电机驱动解决方案
引言
在电子工程师的日常设计中，电机驱动是一个常见且关键的领域。一款性能优良的电机驱动IC能够为设计带来诸多便利，提升系统的稳定性和性能。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的DRV8841双H桥驱动IC，看看它在电机驱动方面有哪些独特的优势和特点。
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一、产品概述
DRV8841是一款集成式双H桥电机驱动解决方案，专为打印机、扫描仪和其他自动化设备应用而设计。它可以用于驱动一个或两个有刷直流电机、双极步进电机或其他负载，通过简单的PWM接口就能轻松与控制器电路连接，所需资源极少。该IC的主要特点包括：
- 双H桥设计：能够同时驱动多个电机，适用于复杂的电机控制场景。
- PWM控制接口：支持可选的固定频率电流调节和两位电流控制，可实现多达四个电流级别，方便对电机电流进行精确控制。
- 低MOSFET导通电阻：在24V和 (T{A}=25^{circ} C) 条件下，最大驱动电流可达2.5A，高侧和低侧的组合 (R{DS(ON)}) 仅为400mΩ，有效降低了功率损耗。
- 宽工作电源电压范围：8.2V至45V的电压范围，使其能够适应不同的电源环境。
- 低电流睡眠模式：可通过专用的nSLEEP引脚设置，关闭内部电路以实现极低的静态电流消耗，节省系统功耗。
- 内置3.3V参考输出：可用于为其他电路提供稳定的参考电压。
- 热增强型表面贴装封装：有助于提高散热性能，保证芯片在高温环境下的稳定运行。
- 多种保护功能：具备过流保护（OCP）、热关断（TSD）、欠压锁定（UVLO）和故障状态指示引脚（nFAULT），有效保护芯片和电机免受损坏。
二、应用领域
DRV8841的应用范围非常广泛，涵盖了多个领域：
- 打印机和扫描仪：在这些设备中，精确的电机控制对于打印和扫描质量至关重要。DRV8841的高性能和精确控制能力能够满足其对电机驱动的严格要求。
- 办公自动化机器和游戏机：为设备中的电机提供稳定的驱动，确保设备的正常运行和良好的用户体验。
- 工厂自动化和机器人：在工业环境中，对电机的可靠性和性能要求极高。DRV8841的多种保护功能和宽电压范围使其能够适应复杂的工业环境，为自动化生产和机器人运动提供可靠的动力支持。
三、详细特性分析
（一）PWM电机驱动
DRV8841包含两个带有电流控制PWM电路的H桥电机驱动器。电机控制电路通过PWM信号对电机电流进行精确调节，所有VM引脚必须连接到电机电源电压，以确保稳定的供电。
（二）消隐时间
在H桥中电流启用后，xISEN引脚的电压在固定的3.75μs时间内被忽略，然后才启用电流检测电路。这个消隐时间不仅避免了电流检测的干扰，还设定了PWM的最小导通时间。
（三）桥控制
| AIN1和AIN2输入引脚直接控制AOUT1和AOUT2输出的状态，BIN1和BIN2输入引脚则控制BOUT1和BOUT2输出的状态。控制输入具有约100kΩ的内部下拉电阻，确保在无输入信号时输出处于稳定状态。通过不同的输入组合，可以实现电机的正反转和制动等功能。具体逻辑如下表所示： | xIN1 | xIN2 | xOUT1 | xOUT2 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | L | L | |
| 0 | 1 | L | H | |
| 1 | 0 | H | L | |
| 1 | 1 | H | H |
（四）电流调节
电机绕组中的电流通过固定频率的PWM电流调节（电流斩波）进行调节。当H桥启用时，电流根据绕组的直流电压和电感以一定速率上升。一旦电流达到斩波阈值，桥将关闭电流，直到下一个PWM周期开始。对于步进电机，电流调节可用于微步进控制；对于直流电机，可用于限制启动和堵转电流。如果不需要电流调节功能，可以将xISENSE引脚直接接地，xVREF引脚连接到V3P3。PWM斩波电流由比较器设置，它将连接到xISEN引脚的电流检测电阻两端的电压乘以5后与参考电压进行比较。参考电压从xVREF引脚输入，并通过2位DAC进行缩放，允许设置100%、71%、38%的满量程电流以及零电流。计算公式如下： [I{CHOP }=frac{V{REFX }}{5 × R_{ISENSE }}]
（五）衰减模式
在PWM电流斩波期间，H桥驱动电流通过电机绕组，直到达到PWM电流斩波阈值。此时，H桥可以进入三种不同的衰减模式：
- 快速衰减模式：达到斩波电流阈值后，H桥反转状态，允许绕组电流反向流动。当绕组电流接近零时，桥关闭以防止反向电流流动。
- 慢速衰减模式：通过启用桥中的两个低侧FET，使绕组电流再循环。
- 混合衰减模式：开始为快速衰减，在固定的PWM周期的75%时间后切换到慢速衰减模式。衰减模式由DECAY引脚的状态选择，逻辑低选择慢速衰减，开路选择混合衰减，逻辑高设置快速衰减模式。该引脚具有约130kΩ的内部上拉电阻和约80kΩ的内部下拉电阻。
（六）保护电路
DRV8841具备完善的保护功能，确保芯片和电机在各种异常情况下的安全：
- 过流保护（OCP）：每个FET上的模拟电流限制电路通过移除栅极驱动来限制电流。如果模拟电流限制持续时间超过OCP时间，H桥中的所有FET将被禁用，nFAULT引脚将被拉低。设备将保持禁用状态，直到施加nRESET引脚信号或移除并重新施加VM电压。
- 热关断（TSD）：如果芯片温度超过安全限制，H桥中的所有FET将被禁用，nFAULT引脚将被拉低。当芯片温度降至安全水平时，操作将自动恢复。
- 欠压锁定（UVLO）：当VM引脚的电压低于欠压锁定阈值电压时，设备中的所有电路将被禁用，内部逻辑将被复位。当 (V_{M}) 上升到UVLO阈值以上时，操作将恢复。
四、应用设计实例
（一）典型应用电路
以控制双极步进电机为例，DRV8841的典型应用电路如下：
（二）设计要求
| 设计参数 | 参考 | 示例值 |
|---|---|---|
| 电源电压 | VM | 24V |
| 电机绕组电阻 | R L | 3.9Ω |
| 电机绕组电感 | I L | 2.9mH |
| 检测电阻值 | RSENSE | 200mΩ |
| 目标满量程电流 | I FS | 1.25A |
（三）详细设计步骤
- 电流调节：在步进电机中，设定的满量程电流 (I{FS}) 是通过任一绕组的最大电流，它取决于xVREF模拟电压和检测电阻值 (R{SENSE}) 。计算公式如下： [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)}] 为了实现 (I{FS}=1.25 ~A) ，当 (R{SENSE}) 为0.2Ω时，xVREF应为1.25V。
- 衰减模式选择：DRV8841支持三种不同的衰减模式，根据实际应用需求选择合适的衰减模式可以优化电机的性能。在电机绕组电流达到斩波阈值后，DRV8841将绕组置于其中一种衰减模式，直到PWM周期结束，然后开始新的驱动阶段。消隐时间 (t{BLANK}) 定义了电流斩波的最小驱动时间，在 (t{BLANK}) 期间， (I_{TRIP}) 被忽略，绕组电流可能会超过跳闸水平。
- 检测电阻选择：为了获得最佳性能，检测电阻应满足以下要求：
- 表面贴装，以减小寄生参数。
- 低电感，避免电感对电流检测的影响。
- 额定功率足够高，以承受电机电流产生的功率损耗。
- 放置在靠近电机驱动器的位置，减少信号干扰。检测电阻的功率损耗计算公式为 (P = I_{rms}^{2} ×R) 。例如，如果电机的RMS电流为2A，使用0.1Ω的检测电阻，则电阻的功率损耗为 (2 A^{2} ×0.1Omega = 0.4 ~W) 。由于功率电阻通常比标准电阻更大、更昂贵，因此常见的做法是在检测节点和地之间并联多个标准电阻，以分散电流和热量。
五、电源和布局建议
（一）电源设计
DRV8841的工作电源电压范围为8.2V至45V，在设计电源时，需要注意以下几点：
- 局部去耦电容：在VMA和VMB引脚分别使用两个额定电压为VMx的0.1-µF陶瓷电容，尽可能靠近引脚放置，以提供高频去耦。
- 大容量电容：除了局部去耦电容外，还需要根据应用要求选择合适的大容量电容。大容量电容的大小取决于多种因素，如电源类型、可接受的电源电压纹波、电源布线中的寄生电感、电机类型、电机启动电流和电机制动方法等。数据手册通常会提供建议值，但需要进行系统级测试来确定合适的大容量电容。
（二）布局设计
合理的布局设计对于DRV8841的性能至关重要，以下是一些布局指南：
- VMA和VMB引脚：使用低ESR的陶瓷旁路电容（推荐值为0.1-μF，额定电压为VMx）将VMA和VMB引脚旁路到GND。电容应尽可能靠近引脚放置，并使用粗走线或接地平面连接到设备的GND引脚。
- CP1和CP2引脚：在CP1和CP2引脚之间放置一个低ESR的陶瓷电容（推荐值为0.01-μF，额定电压为VMx），并尽可能靠近引脚。
- VMA和VCP引脚：在VMA和VCP引脚之间放置一个低ESR的陶瓷电容（推荐值为0.1-μF，额定电压为16V），并尽可能靠近引脚。同时，在VCP和VMA之间放置一个1-MΩ电阻。
- V3P3引脚：使用额定电压为6.3V的陶瓷电容将V3P3旁路到地，并尽可能靠近引脚。
（三）热考虑
DRV8841具有热关断（TSD）功能，如果芯片温度超过约150°C，设备将被禁用，直到温度降至安全水平。为了避免芯片进入TSD状态，需要注意以下几点：
- 功率损耗计算：DRV8841的功率损耗主要由输出FET的导通电阻 (R{DS(ON)}) 决定。每个H桥在运行直流电机时的平均功率损耗可以大致估算如下： [P = 2 × R{DS(ON)} × I{OUT}^{2}] 其中，P是一个H桥的功率损耗， (R{DS(ON)}) 是每个FET的电阻， (I{OUT}) 是施加到每个绕组的RMS输出电流。总设备损耗是两个H桥的功率损耗之和。由于 (R{DS(ON)}) 随温度升高而增加，因此在设计散热片时需要考虑这一点。
- 散热设计：PowerPAD™封装使用外露焊盘来散热，为了确保良好的散热效果，需要将该焊盘与PCB上的铜层进行热连接。在多层PCB上，可以通过添加多个过孔将热焊盘连接到接地平面；在没有内部平面的PCB上，可以在PCB的两侧添加铜面积来散热。如果铜面积在PCB的另一侧，可以使用热过孔将热量从顶层传递到底层。
六、总结
DRV8841是一款功能强大、性能优良的双H桥驱动IC，具有多种先进的特性和完善的保护功能。它在电机驱动领域有着广泛的应用前景，能够满足不同电子工程师在设计中的各种需求。在实际应用中，我们需要根据具体的设计要求，合理选择参数和应用电路，同时注意电源和布局设计，以充分发挥DRV8841的优势。希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师更好地了解和使用DRV8841，为电机驱动设计带来更多的灵感和解决方案。大家在使用DRV8841的过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。
