DRV8215：高性能集成H橋電機(jī)驅(qū)動器的深度剖析

在電子工程師的日常設(shè)計中，電機(jī)驅(qū)動器是一個關(guān)鍵的組件，它直接影響著電機(jī)的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）推出的DRV8215——一款高性能集成H橋電機(jī)驅(qū)動器。

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一、DRV8215的核心特性

1. 電源與性能

DRV8215的工作電源電壓范圍為1.65 - 11V，這使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。其輸出電流能力也十分出色，峰值電流可達(dá)4A，RMS電流為2A，能夠滿足大多數(shù)電機(jī)的驅(qū)動需求。同時，它還集成了電壓和速度調(diào)節(jié)功能，這一特性可以根據(jù)電機(jī)的電壓和電流信息來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度或電壓，無需外部傳感器來檢測速度，大大減少了電路板的尺寸和設(shè)計復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)成本。

2. 控制與接口

該驅(qū)動器具備PWM和PH/EN接口，以及I2C接口用于配置和詳細(xì)診斷。通過I2C接口，用戶可以方便地對驅(qū)動器進(jìn)行配置和監(jiān)控。而且，電機(jī)速度可以通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）進(jìn)行控制，頻率范圍在0 - 200kHz之間，為電機(jī)的調(diào)速提供了很大的靈活性。

3. 電流傳感與調(diào)節(jié)

DRV8215集成了電流傳感和調(diào)節(jié)功能，通過IPROPI引腳輸出與負(fù)載電流成比例的模擬電流。其增益選擇功能可以實現(xiàn)高精度的電流傳感，最低可檢測到10mA的平均電機(jī)電流。同時，根據(jù)增益選擇位的不同，低側(cè)MOSFET的RDS(ON)和過流保護(hù)限制也會相應(yīng)改變，從而為不同的電機(jī)電流值提供優(yōu)化的解決方案。

4. 保護(hù)功能

為了確保系統(tǒng)的可靠性，DRV8215集成了多種保護(hù)功能，包括欠壓鎖定（UVLO）、過流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）、過壓保護(hù)（OVP）和堵轉(zhuǎn)檢測等。這些保護(hù)功能可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時保護(hù)驅(qū)動器和電機(jī)，避免損壞。

5. 低功耗與小尺寸

DRV8215具有低功耗睡眠模式，最大睡眠電流小于100nA，有助于延長電池壽命。此外，它采用了16引腳WQFN封裝，尺寸僅為3 × 3mm，節(jié)省了電路板空間。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

DRV8215的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括電子智能鎖、電子和機(jī)器人玩具、水和煤氣表、輸液泵和其他便攜式醫(yī)療設(shè)備、電動牙刷、美容護(hù)理設(shè)備、便攜式打印機(jī)和銷售點（POS）設(shè)備等。這些應(yīng)用場景都對電機(jī)的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較高的要求，而DRV8215正好能夠滿足這些需求。

三、詳細(xì)工作原理與特性分析

1. 速度和電壓調(diào)節(jié)

DRV8215的集成速度和電壓調(diào)節(jié)功能是基于對電機(jī)電流波形中電流紋波的計數(shù)。通過這種方式，它可以在不同的輸入電源電壓下保持電機(jī)的恒定速度，從而減少電流消耗，節(jié)省電力。這對于那些具有不同負(fù)載條件或依靠電池供電的應(yīng)用來說尤為重要，因為在這些應(yīng)用中輸入電壓往往是不穩(wěn)定的。

2. 橋控制

DRV8215的輸出由四個N通道MOSFET組成，通過EN/IN1和PH/IN2引腳或I2C位I2C_EN_IN1和I2C_PH_IN2進(jìn)行控制。用戶可以通過PMODE位選擇相位/使能模式或PWM模式，以滿足不同的應(yīng)用需求。在控制過程中，當(dāng)輸出狀態(tài)發(fā)生變化時，會自動插入死區(qū)時間，以防止直通現(xiàn)象的發(fā)生，提高系統(tǒng)的可靠性。

3. 電流傳感與調(diào)節(jié)

內(nèi)部電流鏡實現(xiàn)了電流傳感和調(diào)節(jié)功能，無需使用大型功率分流電阻，節(jié)省了電路板面積和系統(tǒng)成本。IPROPI引腳輸出的模擬電流與低側(cè)功率MOSFET中的電流成比例，通過連接一個外部電阻到地，可以將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，供微控制器進(jìn)行檢測。電流調(diào)節(jié)閾值可以通過VREF電壓和IPROPI輸出電阻進(jìn)行設(shè)置，以限制電機(jī)電流在預(yù)定義的最大值內(nèi)。

4. 堵轉(zhuǎn)檢測

DRV8215集成了堵轉(zhuǎn)檢測功能，通過比較IPROPI引腳的電壓和VREF引腳的電壓或500mV來判斷電機(jī)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)。在電機(jī)啟動時，會有一個堵轉(zhuǎn)檢測屏蔽時間tINRUSH，以避免由于大的浪涌電流而導(dǎo)致的誤檢測。用戶可以通過設(shè)置相關(guān)寄存器來配置堵轉(zhuǎn)檢測的響應(yīng)方式。

5. 軟啟動和軟停止

軟啟動和軟停止功能可以在電機(jī)啟動和停止時控制電流的上升和下降速度，減少大的浪涌電流，保護(hù)電機(jī)繞組免受損壞，提高系統(tǒng)的可靠性和壽命。該功能可以通過設(shè)置EN_SS位來激活，并且可以通過TINRUSH寄存器設(shè)置軟啟動和軟停止的時間。

6. 保護(hù)電路

DRV8215的保護(hù)電路包括過流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）、VCC欠壓鎖定（UVLO）和過壓保護(hù)（OVP）等。這些保護(hù)功能可以在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時及時保護(hù)驅(qū)動器和電機(jī)，確保系統(tǒng)的安全運行。例如，過流保護(hù)可以獨立檢測高側(cè)和低側(cè)FET的過流情況，當(dāng)檢測到過流時，會根據(jù)OCP_MODE位的設(shè)置采取相應(yīng)的措施，如鎖存或自動重試。

四、寄存器配置與編程

DRV8215通過一系列的I2C寄存器進(jìn)行配置和診斷。這些寄存器包括狀態(tài)寄存器、配置寄存器和控制寄存器等。例如，F(xiàn)AULT_STATUS寄存器可以反映系統(tǒng)的故障狀態(tài)，CONFIG0寄存器可以用于啟用或禁用各種功能，如輸出、過壓保護(hù)、堵轉(zhuǎn)檢測等。在編程時，需要注意不要修改保留寄存器或未列出的地址，以免產(chǎn)生意外的影響。

五、應(yīng)用與實現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用電路

在典型的應(yīng)用中，DRV8215用于驅(qū)動一個有刷直流電機(jī)。通過將IPROPI引腳連接到一個電阻，可以將電機(jī)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，供微控制器的ADC進(jìn)行檢測。同時，需要注意外部組件的選擇和布局，如VM和VCC引腳的旁路電容應(yīng)選擇低ESR的陶瓷電容，并盡可能靠近器件放置，以減少環(huán)路電感。

2. 堵轉(zhuǎn)檢測應(yīng)用

在一些應(yīng)用中，堵轉(zhuǎn)檢測是非常重要的。DRV8215可以通過比較IPROPI引腳的電壓和VREF引腳的電壓來實現(xiàn)硬件堵轉(zhuǎn)檢測。在設(shè)計時，需要合理設(shè)置TINRUSH寄存器的時間，以避免在電機(jī)啟動時誤檢測堵轉(zhuǎn)。同時，要根據(jù)電機(jī)的特性選擇合適的VREF電壓，以確保在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時能夠及時檢測到。

3. 電機(jī)速度和電壓調(diào)節(jié)應(yīng)用

為了實現(xiàn)準(zhǔn)確的電機(jī)速度和電壓調(diào)節(jié)，需要對一些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如INV_R、INV_R_SCALE、KMC和KMC_SCALE等。這些參數(shù)的選擇需要根據(jù)電機(jī)的具體特性進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳的調(diào)節(jié)效果。例如，在選擇INV_R_SCALE時，需要根據(jù)電機(jī)的電阻值進(jìn)行計算，以確保INV_R的值在合理范圍內(nèi)。

4. 電源供應(yīng)建議

在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中，合適的本地大容量電容是非常重要的。它可以提供足夠的電流，以滿足電機(jī)在高負(fù)載時的需求，并減少電壓紋波。電容的電壓額定值應(yīng)高于工作電壓，以提供一定的余量。同時，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體需求進(jìn)行測試，以確定合適的電容值。

5. 布局設(shè)計

由于DRV8215集成了能夠驅(qū)動大電流的功率MOSFET，因此在布局設(shè)計和外部組件放置時需要特別注意。例如，VM、OUT1、OUT2和GND等引腳的走線應(yīng)采用較厚的金屬布線，以減少電阻和電感。器件的散熱墊應(yīng)通過熱過孔連接到PCB的頂層接地平面和內(nèi)部接地平面，以提高散熱效果。

六、總結(jié)

DRV8215是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的集成H橋電機(jī)驅(qū)動器。它具有集成速度和電壓調(diào)節(jié)、電流傳感和調(diào)節(jié)、堵轉(zhuǎn)檢測、保護(hù)電路等多種功能，適用于各種有刷直流電機(jī)的驅(qū)動應(yīng)用。通過合理的配置和應(yīng)用，它可以幫助工程師減少電路板尺寸、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)的可靠性和性能。在實際設(shè)計中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，仔細(xì)選擇和調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以充分發(fā)揮DRV8215的優(yōu)勢。

各位工程師朋友們，你們在使用DRV8215或其他電機(jī)驅(qū)動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你們的經(jīng)驗和見解。