DRV8231A：高性能直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)與應(yīng)用解析

一、引言

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇和應(yīng)用至關(guān)重要。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的DRV8231A，這是一款專為驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的8引腳設(shè)備，具有集成度高、性能優(yōu)越等特點(diǎn)，能滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

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二、產(chǎn)品概述

2.1 基本特性

DRV8231A可在4.5V至33V的電源軌上驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)。它通過兩個(gè)邏輯輸入控制由四個(gè)N溝道MOSFET組成的H橋驅(qū)動(dòng)器，典型的 (R_{DS(on)}) 為600mΩ。其集成的電荷泵能內(nèi)部提升VM電壓，充分增強(qiáng)高端FET。電機(jī)速度可通過0至200kHz的脈沖寬度調(diào)制（PWM）進(jìn)行控制，當(dāng)兩個(gè)輸入都置低時(shí)，設(shè)備進(jìn)入低功耗睡眠模式。

2.2 集成電流感應(yīng)與調(diào)節(jié)

該芯片還集成了電流感應(yīng)反饋功能，通過低端功率MOSFET上的電流鏡將信息反饋給微控制器。IPROPI引腳輸出與MOSFET電流成比例的小電流，可通過外部電阻將其轉(zhuǎn)換為成比例的電壓。這種集成式電流感應(yīng)方案優(yōu)于傳統(tǒng)的外部分流電阻感應(yīng)，能在關(guān)斷時(shí)間的緩慢衰減再循環(huán)期間提供電流信息，且無(wú)需外部功率分流電阻。同時(shí)，集成的電流調(diào)節(jié)功能可通過固定關(guān)斷時(shí)間的PWM斬波方案限制輸出電流。

三、規(guī)格參數(shù)

3.1 絕對(duì)最大額定值

在工作溫度范圍內(nèi)，OUTx的電壓范圍為 -0.7V至VM + 0.7V，IPROPI的電壓范圍為 -0.3V至5.75V，結(jié)溫范圍為 -40°C至150°C等。超出這些絕對(duì)最大額定值可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。

3.2 ESD額定值

人體模型（HBM）的靜電放電額定值為 ±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 ±500V。

3.3 推薦工作條件

推薦的PWM頻率為0至200kHz，峰值輸出電流為0至3.7A，工作結(jié)溫為 -40°C至150°C。

3.4 熱信息

不同封裝的DRV8231A具有不同的熱阻參數(shù)，如RUA（結(jié)到環(huán)境熱阻）、ReUC(top)（結(jié)到外殼頂部熱阻）和ReJB（結(jié)到電路板熱阻）等。

3.5 電氣特性

包括輸入滯后、輸入邏輯電流、MOSFET導(dǎo)通電阻、體二極管正向電壓、輸出上升和下降時(shí)間、輸入到輸出傳播延遲、輸出死區(qū)時(shí)間等參數(shù)。

3.6 典型特性

通過一系列圖表展示了睡眠電流、有源電流、MOSFET導(dǎo)通電阻等參數(shù)隨電源電壓和結(jié)溫的變化關(guān)系，以及AIPROPI增益誤差與電機(jī)電流的關(guān)系。

3.7 時(shí)序圖

給出了輸入到輸出的時(shí)序圖，明確了輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系。

四、詳細(xì)描述

4.1 功能框圖

從功能框圖可以看出，DRV8231A由電源、電荷泵、H橋驅(qū)動(dòng)器、邏輯控制、電流感應(yīng)等部分組成，各部分協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制。

4.2 外部組件

推薦使用0.1 - μF、低ESR的陶瓷電容作為VM到GND的旁路電容，以及根據(jù)具體情況選擇合適的VM電源大容量電容。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PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)可變電機(jī)速度控制。

4.3 電流感應(yīng)與調(diào)節(jié)

4.3.1 電流感應(yīng)

IPROPI引腳輸出與低端功率MOSFET電流成比例的模擬電流，可通過公式 (I{PROPI}(mu A)=(I{LS1}+I{LS2})(A) × A{IPROPI}(mu A / A)) 計(jì)算。該電流可通過外部電阻轉(zhuǎn)換為電壓，公式為 (V{IPROPI}(V)=I{PROPI}(A)× R_{IPROPI}(Omega ))。IPROPI輸出帶寬受內(nèi)部電流感應(yīng)電路的感應(yīng)延遲時(shí)間限制。

4.3.2 電流調(diào)節(jié)

采用固定關(guān)斷時(shí)間的電流斬波方案，可在電機(jī)堵轉(zhuǎn)、高扭矩或其他高電流負(fù)載事件時(shí)限制輸出電流，無(wú)需外部控制器干預(yù)。

4.4 保護(hù)電路

4.4.1 過流保護(hù)（OCP）

每個(gè)FET上的模擬電流限制電路可通過內(nèi)部限制柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)限制通過FET的電流。如果模擬電流限制持續(xù)時(shí)間超過OCP消隱時(shí)間，H橋中的所有FET將被禁用，經(jīng)過OCP重試周期后驅(qū)動(dòng)器重新啟用。

4.4.2 熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)管芯溫度超過安全限制時(shí)，H橋中的所有FET將被禁用，管芯溫度降至安全水平后自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

4.4.3 VM欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)VM引腳電壓低于UVLO閾值時(shí)，設(shè)備中的所有電路將被禁用，輸出FET被禁用，所有內(nèi)部邏輯被復(fù)位。當(dāng)VVM電壓上升到UVLO上升閾值以上時(shí)，設(shè)備恢復(fù)運(yùn)行。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1 典型應(yīng)用

5.1.1 有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

給出了典型的連接圖和設(shè)計(jì)參數(shù)，如電機(jī)電壓、平均電機(jī)電流、電機(jī)啟動(dòng)浪涌電流、電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流、電機(jī)電流跳閘點(diǎn)、VREF電壓、IPROPI感應(yīng)電阻、PWM頻率等。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)電機(jī)的額定值和所需的RPM選擇合適的電機(jī)電壓，同時(shí)利用電流調(diào)節(jié)功能限制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流。

5.1.2 堵轉(zhuǎn)檢測(cè)

通過IPROPI模擬電流感應(yīng)反饋，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方案。微控制器通過ADC讀取IPROPI引腳的電壓，并與固件中設(shè)置的堵轉(zhuǎn)閾值進(jìn)行比較，從而判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮啟動(dòng)浪涌電流的影響，避免誤判。

5.1.3 繼電器驅(qū)動(dòng)

PWM接口可用于驅(qū)動(dòng)單線圈和雙線圈鎖存繼電器，給出了相應(yīng)的原理圖、時(shí)序圖和邏輯表。在驅(qū)動(dòng)雙線圈繼電器時(shí)，通過控制IN1和IN2的輸入狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)線圈的交替驅(qū)動(dòng)。

5.1.4 多源設(shè)計(jì)

DRV8231A/51A的IPROPI功能可以替代傳統(tǒng)的電流感應(yīng)放大器，在電路板設(shè)計(jì)過程中，可以靈活選擇使用IPROPI或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的分流設(shè)備，以滿足不同的成本和性能需求。

5.2 電流能力與熱性能

5.2.1 功率耗散與輸出電流能力

設(shè)備的總功率耗散由靜態(tài)電源電流耗散 (P{VM})、功率MOSFET開關(guān)損耗 (P{SW}) 和功率MOSFET (R{DS(on)}) （導(dǎo)通）損耗 (P{RDS}) 三部分組成，可通過相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算。

5.2.2 熱性能

包括穩(wěn)態(tài)熱性能和瞬態(tài)熱性能。穩(wěn)態(tài)熱性能與PCB的銅面積、層數(shù)和銅厚度有關(guān)，更多的銅面積、更多的層數(shù)和更厚的銅平面可以降低熱阻，提高熱性能。瞬態(tài)熱性能還受驅(qū)動(dòng)時(shí)間的影響，在短時(shí)間的大電流脈沖情況下，設(shè)備的管芯尺寸和封裝對(duì)熱性能起主導(dǎo)作用；而在長(zhǎng)時(shí)間的驅(qū)動(dòng)脈沖情況下，電路板布局對(duì)熱性能的影響更為顯著。

六、電源供應(yīng)建議

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，適當(dāng)?shù)谋镜卮笕萘侩娙葜陵P(guān)重要。其容量大小取決于多種因素，如電機(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、電機(jī)制動(dòng)方法等。數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)提供推薦值，但需要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試來(lái)確定合適的大容量電容尺寸。同時(shí)，大容量電容的電壓額定值應(yīng)高于工作電壓，以應(yīng)對(duì)電機(jī)向電源傳輸能量的情況。

七、布局設(shè)計(jì)

7.1 布局指南

由于DRV8231A集成了能夠驅(qū)動(dòng)大電流的功率MOSFET，因此在布局設(shè)計(jì)和外部組件放置時(shí)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，VM電源電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置，以減小環(huán)路電感。VM、OUT1、OUT2和GND等承載大電流的線路應(yīng)采用較厚的金屬布線。設(shè)備的散熱墊應(yīng)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PCB的散熱能力。

7.2 布局示例

給出了DSG和DDA兩種封裝的布局示例，展示了如何合理安排引腳和組件，以實(shí)現(xiàn)良好的電氣性能和散熱效果。

八、總結(jié)

DRV8231A是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有集成電流感應(yīng)、多種保護(hù)功能、低功耗睡眠模式等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇外部組件，優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮芯片的性能。同時(shí)，要注意電源供應(yīng)和熱管理等方面的問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為電子工程師在使用DRV8231A進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用DRV8231A的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。