DRV8840：一款強(qiáng)大的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC是一個(gè)經(jīng)常會(huì)用到的關(guān)鍵組件。今天要給大家詳細(xì)介紹的就是德州儀器（TI）的DRV8840直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，它在打印機(jī)、掃描儀等自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

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一、產(chǎn)品特性

（一）電氣性能

DRV8840具有單H橋電流控制功能，工作電源電壓范圍為8.2 - 45V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。它采用5位電流控制，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)32種電流水平的調(diào)節(jié)，滿足多樣化的應(yīng)用需求。其MOSFET的導(dǎo)通電阻（HS + LS）典型值為0.4Ω，在24V、環(huán)境溫度25°C的條件下，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)5A。此外，芯片還內(nèi)置了3.3V參考輸出，方便為其他電路提供穩(wěn)定的電壓。

（二）接口與封裝

該芯片采用并行數(shù)字控制接口，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備兼容，便于工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和集成。它采用熱增強(qiáng)型表面貼裝封裝，有助于散熱，提高芯片的穩(wěn)定性和可靠性。

（三）保護(hù)功能

DRV8840具備完善的保護(hù)功能，包括過流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）、VM欠壓鎖定（UVLO）以及故障狀態(tài)指示引腳（nFAULT）。這些保護(hù)機(jī)制能夠有效保護(hù)芯片和電機(jī)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

DRV8840的應(yīng)用范圍非常廣泛，涵蓋了打印機(jī)、掃描儀、辦公自動(dòng)化機(jī)器、游戲機(jī)、工廠自動(dòng)化以及機(jī)器人等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，DRV8840能夠?yàn)殡姍C(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

三、引腳配置與功能

（一）電源與接地引腳

• GND：作為設(shè)備的接地引腳，有兩個(gè)引腳（14、28）。
• VM：橋A的電源引腳，需要連接到電機(jī)電源（8.2 - 45V），并且兩個(gè)引腳（4、11）必須連接到相同的電源。
• V3P3OUT：3.3V穩(wěn)壓器輸出引腳，需要用一個(gè)0.47μF、6.3V的陶瓷電容旁路到GND，可用于為VREF供電。
• CP1、CP2：電荷泵飛跨電容引腳，需要在CP1和CP2之間連接一個(gè)0.01μF、50V的電容。
• VCP：高端柵極驅(qū)動(dòng)電壓引腳，需要連接一個(gè)0.1μF、16V的陶瓷電容和一個(gè)1MΩ的電阻到VM。

（二）控制引腳

• PHASE：橋相位（方向）控制引腳，邏輯高電平時(shí)設(shè)置OUT1為高，OUT2為低，內(nèi)部有下拉電阻。
• ENBL：橋使能引腳，邏輯高電平時(shí)使能H橋，內(nèi)部有下拉電阻。
• I0 - I4：電流設(shè)置輸入引腳，用于設(shè)置繞組電流為滿量程的百分比，內(nèi)部有下拉電阻。
• DECAY：衰減（制動(dòng)）模式控制引腳，低電平為制動(dòng)（慢衰減），高電平為滑行（快衰減），內(nèi)部有上拉和下拉電阻。
• nRESET：復(fù)位輸入引腳，低電平有效，用于初始化邏輯并禁用H橋輸出，內(nèi)部有下拉電阻。
• nSLEEP：睡眠模式輸入引腳，邏輯高電平時(shí)使能設(shè)備，邏輯低電平時(shí)進(jìn)入低功耗睡眠模式，內(nèi)部有下拉電阻。

（三）狀態(tài)與輸出引腳

• nFAULT：故障輸出引腳（開漏輸出），當(dāng)出現(xiàn)故障（過溫、過流）時(shí)，引腳輸出低電平。
• ISEN：橋接地/電流檢測(cè)引腳，需要連接到電流檢測(cè)電阻，兩個(gè)引腳（6、9）必須在PCB上連接在一起。
• OUT1、OUT2：橋輸出引腳，需要連接到電機(jī)繞組，兩個(gè)引腳（5、10和7、8）必須在PCB上連接在一起。

四、技術(shù)參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

• VMx電源電壓：-0.3 - 47V
• 數(shù)字引腳電壓：-0.5 - 7V
• VREF輸入電壓：-0.3 - 4V
• ISENSEx引腳電壓：-0.8 - 0.8V
• 峰值電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出電流（t < 1μS）：內(nèi)部限制
• 連續(xù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出電流：0 - 5A
• 連續(xù)總功耗：見6.4節(jié)
• TJ工作虛擬結(jié)溫：-40 - 150°C
• TA工作環(huán)境溫度：-40 - 85°C
• Tstg存儲(chǔ)溫度：-60 - 150°C

（二）ESD額定值

• 人體模型（HBM）：±2000V
• 帶電設(shè)備模型（CDM）：±500V

（三）推薦工作條件

• VM電機(jī)電源電壓：8.2 - 45V
• VREF輸入電壓：1 - 3.5V
• V3P3OUT負(fù)載電流：0 - 1mA
• 外部施加的PWM頻率：0 - 100kHz

（四）熱信息

• RθJA結(jié)到環(huán)境熱阻：31.6°C/W
• RθJC(top)結(jié)到外殼（頂部）熱阻：15.9°C/W
• RθJB結(jié)到電路板熱阻：5.6°C/W
• ψJT結(jié)到頂部表征參數(shù)：0.2°C/W
• ψJB結(jié)到電路板表征參數(shù)：5.5°C/W
• RθJC(bot)結(jié)到外殼（底部）熱阻：1.4°C/W

（五）電氣特性

芯片在不同的參數(shù)下有著特定的電氣特性，例如在不同電源電壓、不同溫度條件下的電流、電壓等參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估非常重要。

五、功能詳解

（一）PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)

DRV8840包含一個(gè)帶有電流控制PWM電路的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。多個(gè)VM、ISEN、OUT和VREF引腳需要在PCB上連接在一起。

（二）橋控制

• PHASE引腳：控制電流通過H橋的方向，從而控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。
• ENBL引腳：高電平時(shí)使能H橋輸出，可用于電機(jī)的PWM速度控制。
• DECAY引腳：選擇橋在ENBL = 0時(shí)的行為，可選擇慢衰減（制動(dòng)）或快衰減（滑行）。

（三）電流調(diào)節(jié)

電機(jī)繞組中的最大電流通過固定頻率的PWM電流調(diào)節(jié)或電流斬波進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)H橋使能時(shí)，電流會(huì)根據(jù)繞組的直流電壓和電感以一定速率上升。當(dāng)電流達(dá)到斬波閾值時(shí)，橋會(huì)禁用電流，直到下一個(gè)PWM周期開始。對(duì)于直流電機(jī)，電流調(diào)節(jié)用于限制電機(jī)的啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)電流。速度控制通常通過向ENBLx輸入引腳提供外部PWM信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。如果不需要電流調(diào)節(jié)功能，可以將ISENSE引腳直接接地，將VREF引腳連接到V3P3。

（四）衰減模式和制動(dòng)

• 快衰減模式：當(dāng)PWM斬波電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，H橋反轉(zhuǎn)狀態(tài)，允許繞組電流反向流動(dòng)。當(dāng)繞組電流接近零時(shí)，橋被禁用，以防止任何反向電流流動(dòng)。
• 慢衰減模式：通過使能橋中的兩個(gè)低端FET，使繞組電流再循環(huán)。
• DECAY引腳：邏輯低電平選擇慢衰減，邏輯高電平選擇快衰減模式。如果該引腳懸空或未驅(qū)動(dòng)，則設(shè)置為混合衰減模式。

（五）消隱時(shí)間

在H橋中電流使能后，xISEN引腳的電壓在固定的一段時(shí)間內(nèi)被忽略，然后再啟用電流檢測(cè)電路。這個(gè)消隱時(shí)間固定為3.75μs，同時(shí)也設(shè)置了PWM的最小導(dǎo)通時(shí)間。

（六）保護(hù)電路

• 過流保護(hù)（OCP）：每個(gè)FET上的模擬電流限制電路通過移除柵極驅(qū)動(dòng)來限制通過FET的電流。如果這種模擬電流限制持續(xù)時(shí)間超過OCP時(shí)間，H橋中的所有FET將被禁用，nFAULT引腳將被拉低。設(shè)備將保持禁用狀態(tài)，直到施加nRESET引腳或移除并重新施加VM。
• 熱關(guān)斷（TSD）：如果芯片溫度超過安全限制，H橋中的所有FET將被禁用，nFAULT引腳將被拉低。當(dāng)芯片溫度降至安全水平時(shí)，操作將自動(dòng)恢復(fù)。
• 欠壓鎖定（UVLO）：如果VM引腳的電壓在任何時(shí)候低于欠壓鎖定閾值電壓，設(shè)備中的所有電路將被禁用，內(nèi)部邏輯將被復(fù)位。當(dāng)VM電壓上升到UVLO閾值以上時(shí)，操作將恢復(fù)。

六、應(yīng)用與設(shè)計(jì)

（一）典型應(yīng)用

在典型應(yīng)用中，需要考慮一些設(shè)計(jì)參數(shù)，如電源電壓、電機(jī)繞組電阻、電感、目標(biāo)斬波電流、檢測(cè)電阻和VREF電壓等。例如，在一個(gè)應(yīng)用中，電源電壓為24V，電機(jī)繞組電阻為3.9V，電感為2.9mH，目標(biāo)斬波電流為1.5A，檢測(cè)電阻為100mΩ，VREF電壓為0.75V。

（二）詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 電流調(diào)節(jié)：最大電流（ITRIP）由Ix引腳、VREF模擬電壓和檢測(cè)電阻值（RSENSE）設(shè)置。在啟動(dòng)有刷直流電機(jī)時(shí)，由于沒有反電動(dòng)勢(shì)和高靜轉(zhuǎn)矩，可能會(huì)出現(xiàn)大的浪涌電流。電流調(diào)節(jié)將限制這種浪涌電流，防止啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)高電流。
• 檢測(cè)電阻：為了獲得最佳性能，檢測(cè)電阻應(yīng)滿足表面貼裝、低電感、額定功率足夠高以及靠近電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等要求。檢測(cè)電阻的功耗等于Irms2 × R，因此在選擇電阻時(shí)需要考慮電機(jī)的RMS電流和電阻的額定功率。

七、電源與布局建議

（一）電源建議

DRV8840設(shè)計(jì)用于在8.2 - 45V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，絕對(duì)最大額定值為47V。每個(gè)VM引腳必須盡可能靠近DRV8840放置一個(gè)額定電壓為VM的0.1μF陶瓷電容。此外，還需要在VM上添加一個(gè)大容量電容。

（二）布局指南

• VM引腳：每個(gè)VM終端必須使用額定電壓為VM的低ESR陶瓷旁路電容（推薦值為0.1μF）旁路到GND。這些電容應(yīng)盡可能靠近VM引腳放置，并通過厚走線或接地平面連接到設(shè)備GND引腳。
• CP1和CP2引腳：在CP1和CP2引腳之間必須放置一個(gè)低ESR陶瓷電容，TI推薦使用額定電壓為VM的0.1μF電容。
• VM和VCP引腳：在VM和VCP引腳之間必須放置一個(gè)低ESR陶瓷電容（TI推薦值為0.47μF，額定電壓為16V），并在VM和VCP之間放置一個(gè)1MΩ的電阻。
• V3P3OUT引腳：使用額定電壓為6.3V的陶瓷電容將V3P3OUT旁路到地，并將該旁路電容盡可能靠近引腳放置。
• 檢測(cè)電阻：檢測(cè)電阻應(yīng)盡可能靠近設(shè)備引腳放置，以最小化引腳和電阻之間的走線電感。

（三）熱考慮

• 功率耗散：在運(yùn)行直流電機(jī)時(shí)，DRV8840的平均功率耗散可以通過公式P = 2 × RDS(ON) × (IOUT)2大致估算。其中，P是一個(gè)H橋的功率耗散，RDS(ON)是每個(gè)FET的電阻，IOUT是應(yīng)用于每個(gè)繞組的RMS輸出電流。需要注意的是，在啟動(dòng)和故障條件下，電流會(huì)比正常運(yùn)行電流高很多，這些峰值電流及其持續(xù)時(shí)間也需要考慮在內(nèi)。
• 散熱：PowerPAD?封裝使用外露焊盤來散熱。為了確保正常工作，該焊盤必須與PCB上的銅進(jìn)行熱連接，以散發(fā)熱量。在多層PCB上，可以通過添加多個(gè)過孔將熱焊盤連接到接地平面。在沒有內(nèi)部平面的PCB上，可以在PCB的任一側(cè)添加銅面積來散熱。

總之，DRV8840是一款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC。通過合理的設(shè)計(jì)和布局，它能夠在各種自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用中發(fā)揮出色的作用。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨根據(jù)具體需求，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，打造出更加優(yōu)秀的產(chǎn)品。大家在使用DRV8840的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。