德州儀器DRV8814：高效直流電機(jī)驅(qū)動的理想之選

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)是一個(gè)常見且關(guān)鍵的任務(wù)。今天，我們要深入探討的是德州儀器（TI）公司推出的 DRV8814 直流電機(jī)驅(qū)動集成電路，它為打印機(jī)、掃描儀和其他自動化設(shè)備應(yīng)用提供了集成化的電機(jī)驅(qū)動解決方案。

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1. 產(chǎn)品特性

1.1 供電與電流能力強(qiáng)大

DRV8814 的工作電源電壓范圍為 8 V 至 45 V，能夠適應(yīng)不同的供電環(huán)境。在 24 V 電壓和 (T_{A} = 25°C) 的條件下，它能提供高達(dá) 2.5 A 的最大驅(qū)動電流，為電機(jī)提供充足的動力。

1.2 雙 H 橋電流控制

這款芯片集成了雙 H 橋電流控制電機(jī)驅(qū)動器，可以驅(qū)動兩個(gè)直流電機(jī)。具備四個(gè)等級的繞組電流控制功能，能夠根據(jù)實(shí)際需求精確調(diào)節(jié)電機(jī)電流。

1.3 多衰減模式

支持慢衰減和快衰減兩種模式。慢衰減模式可實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動，快速停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；快衰減模式則讓電機(jī)能夠滑行，適用于不同的應(yīng)用場景。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字控制接口

采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的并行數(shù)字控制接口，方便與各種控制器進(jìn)行連接，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

1.5 低功耗睡眠模式

內(nèi)置低電流睡眠模式，當(dāng)系統(tǒng)不驅(qū)動電機(jī)時(shí)，可以讓芯片進(jìn)入低功耗狀態(tài)，節(jié)省電能。

1.6 集成參考輸出

提供內(nèi)置 3.3-V 參考輸出，可用于為其他電路提供穩(wěn)定的參考電壓。

1.7 緊湊封裝與保護(hù)功能

采用小封裝和小尺寸布局，節(jié)省 PCB 空間。同時(shí)具備過流保護(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）等保護(hù)功能，確保芯片在各種異常情況下的安全性和可靠性。

2. 應(yīng)用場景

DRV8814 的應(yīng)用十分廣泛，涵蓋了打印機(jī)、掃描儀、辦公自動化設(shè)備、游戲機(jī)、工廠自動化以及機(jī)器人等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，DRV8814 能夠穩(wěn)定、高效地驅(qū)動直流電機(jī)，為設(shè)備的正常運(yùn)行提供保障。

3. 產(chǎn)品描述

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

DRV8814 內(nèi)部集成了兩個(gè) H 橋驅(qū)動器，每個(gè)輸出驅(qū)動器模塊由 N 溝道功率 MOSFET 配置成 H 橋，用于驅(qū)動電機(jī)繞組。在 24 V 和 25°C 的條件下，每個(gè) H 橋可提供高達(dá) 2.5-A 峰值或 1.75-A RMS 輸出電流（需適當(dāng)散熱）。

3.2 控制接口與功能

采用簡單的并行數(shù)字控制接口，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備兼容。衰減模式可編程，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)在禁用時(shí)的制動或滑行。同時(shí)，內(nèi)部設(shè)有過流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓鎖定和過溫保護(hù)等關(guān)機(jī)功能，確保芯片的安全運(yùn)行。

4. 引腳配置與功能

DRV8814 采用 28 引腳 HTSSOP 封裝（帶 PowerPAD?），其引腳功能豐富多樣，可分為電源與接地、控制、狀態(tài)和輸出等幾類，具體介紹如下。

4.1 電源與接地引腳

• GND：設(shè)備接地引腳。
• VMA 和 VMB：分別為橋 A 和橋 B 的電源引腳，需連接到電機(jī)電源（8 V 至 45 V），并通過 0.1-μF 電容旁路到 GND，同時(shí)連接到適當(dāng)?shù)拇笕萘侩娙荨?/li>
• V3P3OUT：3.3-V 穩(wěn)壓器輸出引腳，需通過 0.47-μF 6.3-V 陶瓷電容旁路到 GND，可用于為 VREF 供電。
• CP1 和 CP2：電荷泵飛電容引腳，需在兩者之間連接一個(gè) 0.01-μF 50-V 電容。
• VCP：高端柵極驅(qū)動電壓引腳，需連接一個(gè) 0.1-μF 16-V 陶瓷電容和一個(gè) 1-MΩ 電阻到 VM。

  4.2 控制引腳

• AENBL 和 BENBL：分別用于啟用橋 A 和橋 B，邏輯高電平有效。
• APHASE 和 BPHASE：分別控制橋 A 和橋 B 的相位（方向），邏輯高電平可設(shè)置輸出的高低電平。
• AI0、AI1、BI0 和 BI1：用于設(shè)置橋 A 和橋 B 的電流，可實(shí)現(xiàn) 100%、71%、38% 和 0 的電流設(shè)置。
• DECAY：衰減（制動）模式引腳，低電平為制動（慢衰減），高電平為滑行（快衰減）。
• nRESET：復(fù)位輸入引腳，低電平有效，可初始化內(nèi)部邏輯并禁用 H 橋輸出。
• nSLEEP：睡眠模式輸入引腳，邏輯高電平啟用設(shè)備，邏輯低電平進(jìn)入低功耗睡眠模式。
• AVREF 和 BVREF：分別為橋 A 和橋 B 的電流設(shè)置參考輸入引腳，可通過外部 DAC 或連接到參考電壓（如 V3P3OUT）實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)控制。

  4.3 狀態(tài)引腳

• nFAULT：故障指示引腳，開漏輸出，當(dāng)出現(xiàn)過溫、過流等故障情況時(shí)輸出邏輯低電平。

  4.4 輸出引腳

• ISENA 和 ISENB：分別為橋 A 和橋 B 的接地/電流檢測引腳，需連接到電流檢測電阻。
• AOUT1、AOUT2、BOUT1 和 BOUT2：分別為橋 A 和橋 B 的輸出引腳，需連接到電機(jī)繞組。

5. 規(guī)格參數(shù)

5.1 絕對最大額定值

• 電源電壓范圍：(VMx) 為 –0.3 V 至 47 V。
• 電源斜坡速率：(VMx) 最大為 1 V/μs。
• 數(shù)字引腳電壓范圍：–0.5 V 至 7 V。
• 輸入電壓 (V_{REF})：–0.3 V 至 4 V。
• (ISENSEx) 引腳電壓：–0.8 V 至 0.8 V。
• 峰值電機(jī)驅(qū)動輸出電流（(t < 1 μS)）：內(nèi)部限制。
• 連續(xù)電機(jī)驅(qū)動輸出電流：最大 2.5 A。
• 連續(xù)總功率耗散：需參考熱信息。
• 工作虛擬結(jié)溫范圍：(T_{J}) 為 –40°C 至 150°C。
• 工作環(huán)境溫度范圍：(T_{A}) 為 –40°C 至 85°C。
• 存儲溫度：(T_{STG}) 為 –60°C 至 150°C。

  5.2 ESD 額定值

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

  5.3 推薦工作條件

• 電機(jī)電源電壓范圍 (V_{M})：8 V 至 45 V。
• (V_{REF}) 輸入電壓：1 V 至 3.5 V。
• (V3P3OUT) 負(fù)載電流 (I_{V3P3})：最大 1 mA。
• 外部施加的 PWM 頻率 (f_{PWM})：最大 100 kHz。

  5.4 熱信息

  芯片的熱性能指標(biāo)包括結(jié)到環(huán)境熱阻 (R{θJA}) 為 31.6°C/W、結(jié)到外殼（頂部）熱阻 (R{θJC(top)}) 為 15.9°C/W 等，這些指標(biāo)對于評估芯片的散熱情況至關(guān)重要。

  5.5 電氣特性

  涵蓋了電源、穩(wěn)壓器、邏輯電平輸入、輸出、衰減輸入、H 橋 FET、電機(jī)驅(qū)動器、保護(hù)電路和電流控制等方面的參數(shù)，如 (VM) 工作電源電流 (I{VM}) 在 (V{M} = 24 V) 和 (f_{PWM} = 50 kHz) 時(shí)典型值為 5 mA 等。

6. 詳細(xì)描述

6.1 概述

DRV8814 專為兩個(gè)有刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)，集成了兩個(gè) NMOS H 橋、電流檢測、調(diào)節(jié)電路和詳細(xì)的故障檢測功能。通過 PHASE/ENBL 接口可方便地與控制器電路連接，繞組電流控制可讓外部控制器調(diào)節(jié)提供給電機(jī)的電流。同時(shí)，具備兩種衰減模式，可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行選擇，還支持低功耗睡眠模式。

6.2 功能框圖

從功能框圖中可以看到，芯片內(nèi)部包括電荷泵、內(nèi)部參考和調(diào)節(jié)器、HS 柵極驅(qū)動、LS 柵極驅(qū)動等模塊，各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動和控制。

6.3 特性描述

• PWM 電機(jī)驅(qū)動器：包含兩個(gè)帶電流控制 PWM 電路的 H 橋電機(jī)驅(qū)動器，所有 VM 引腳需連接到電機(jī)電源電壓。
• 橋控制：通過 xPHASE 輸入引腳控制每個(gè) H 橋的電流流向，從而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；xENBL 輸入引腳在高電平時(shí)啟用 H 橋輸出，可用于電機(jī)的 PWM 速度控制。DECAY 引腳可選擇橋在 (xENBL = 0) 時(shí)的行為，實(shí)現(xiàn)慢衰減（制動）或快衰減（滑行）。
• 電流調(diào)節(jié)：通過固定頻率的 PWM 電流調(diào)節(jié)來限制電機(jī)繞組的最大電流。當(dāng) H 橋啟用時(shí)，電流會根據(jù)繞組的直流電壓和電感上升，達(dá)到電流斬波閾值后，橋會禁用電流直到下一個(gè) PWM 周期開始。可通過連接 xISENSE 引腳到地并將 xVREF 引腳連接到 V3P3 來禁用電流調(diào)節(jié)功能。PWM 斬波電流由比較器根據(jù)電流檢測電阻上的電壓和參考電壓進(jìn)行設(shè)置，參考電壓通過 xVREF 引腳輸入，并可通過 2 位 DAC 進(jìn)行 100%、71%、38% 和 0 的電流設(shè)置。
• 衰減模式和制動：在 PWM 電流斬波期間，H 橋驅(qū)動電流通過電機(jī)繞組，達(dá)到斬波電流閾值后，可進(jìn)入快衰減或慢衰減模式?？焖p模式下，H 橋反轉(zhuǎn)狀態(tài)使繞組電流反向流動；慢衰減模式下，通過啟用橋中的兩個(gè)低側(cè) FET 使繞組電流再循環(huán)。DECAY 引腳的狀態(tài)決定了衰減模式，同時(shí)也影響橋在禁用時(shí)的操作，高電平（快衰減）可使電機(jī)滑行停止，低電平（慢衰減）可使電機(jī)快速制動。
• 消隱時(shí)間：在 H 橋啟用電流后，xISEN 引腳的電壓在 3.75 μs 的固定時(shí)間內(nèi)被忽略，此消隱時(shí)間也設(shè)置了 PWM 的最小導(dǎo)通時(shí)間。
• nRESET 和 nSLEEP 操作：nRESET 引腳低電平有效時(shí)，可復(fù)位內(nèi)部邏輯并禁用 H 橋驅(qū)動器；nSLEEP 引腳低電平可使設(shè)備進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)，在此狀態(tài)下 H 橋禁用、柵極驅(qū)動電荷泵停止、V3P3OUT 穩(wěn)壓器禁用、內(nèi)部時(shí)鐘停止，從睡眠模式返回時(shí)，電機(jī)驅(qū)動器需要約 1 ms 才能完全恢復(fù)正常工作。
• 保護(hù)電路：具備過流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）和欠壓鎖定（UVLO）功能。過流保護(hù)通過模擬電流限制電路限制 FET 電流，持續(xù)過流會禁用 H 橋并使 nFAULT 引腳輸出低電平，需重新設(shè)置 nRESET 引腳或重新施加 VM 電源才能恢復(fù)工作；熱關(guān)斷在芯片溫度超過安全限制時(shí)禁用 H 橋并使 nFAULT 引腳輸出低電平，溫度下降到安全水平后自動恢復(fù)工作；欠壓鎖定在 VM 引腳電壓低于閾值時(shí)禁用設(shè)備內(nèi)部電路并復(fù)位內(nèi)部邏輯，VM 電壓上升到閾值以上時(shí)恢復(fù)工作。

7. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

7.1 應(yīng)用信息

DRV8814 可用于控制兩個(gè)有刷直流電機(jī)，通過 PHASE/ENBL 接口控制輸出，利用內(nèi)部電流調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)電流控制，并通過內(nèi)部保護(hù)電路和 nFAULT 引腳提供詳細(xì)的故障報(bào)告。

7.2 典型應(yīng)用示例

典型應(yīng)用電路中，需要連接多個(gè)電容和電阻等外部元件。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電源電壓、電機(jī)繞組電阻、電感、檢測電阻值和目標(biāo)滿量程電流等參數(shù)。例如，在設(shè)計(jì)雙有刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)，電源電壓 (V{M}) 可選擇 24 V，電機(jī)繞組電阻 (R{L}) 為 3.9 Ω 等。

7.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 電流調(diào)節(jié)：通過公式 (I{FS}(A)=frac{xVREF(V)}{A{v} × R{SENSE }(Omega)}=frac{xVREF(V)}{5 × R{SENSE }(Omega)}) 計(jì)算滿量程電流，其中 (A{v}) 為 DRV8814 的增益（5 V/V）。若要實(shí)現(xiàn) (I{FS} = 1.25 A)，檢測電阻 (R_{SENSE}) 為 0.2 Ω，則 xVREF 應(yīng)為 1.25 V。
• 衰減模式：支持慢衰減和快衰減兩種模式，通過固定頻率的 PWM 方案調(diào)節(jié)電機(jī)繞組電流。當(dāng)電機(jī)繞組電流達(dá)到斬波閾值后，芯片會將繞組置于相應(yīng)的衰減模式，直到 PWM 周期結(jié)束。消隱時(shí)間 (t{BLANK}) 定義了電流斬波的最小驅(qū)動時(shí)間，在此期間 (I{TRIP}) 被忽略，繞組電流可能會超過閾值。
• 檢測電阻：檢測電阻的功率耗散為 (I_{rms}^{2} × R)，如 rms 電機(jī)電流為 2 A，使用 100-mΩ 檢測電阻時(shí)，電阻耗散功率為 0.4 W。為了降低功耗和成本，可使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻并聯(lián)的方式。

8. 電源供應(yīng)建議

8.1 大容量電容

DRV8814 設(shè)計(jì)工作在 8 V 至 45 V 的輸入電壓范圍內(nèi)，需在 VMA 和 VMB 引腳附近分別放置兩個(gè) 0.1-μF 的陶瓷電容進(jìn)行局部去耦。此外，還需要根據(jù)應(yīng)用需求添加適當(dāng)?shù)拇笕萘侩娙?，其大小取決于電源類型、可接受的電源電壓紋波、電源布線中的寄生電感、電機(jī)類型、電機(jī)啟動電流和制動方法等因素。如果局部大容量電容過小，系統(tǒng)可能會因電機(jī)的過大電流需求或放電而導(dǎo)致電壓變化，因此需要進(jìn)行系統(tǒng)級測試來確定合適的電容大小。

8.2 電源和邏輯時(shí)序

DRV8814 沒有特定的上電順序，數(shù)字輸入信號可以在 VMx 施加之前存在。VMx 施加后，芯片會根據(jù)控制引腳的狀態(tài)開始工作。

9. 布局設(shè)計(jì)

9.1 布局指南

• VMA 和 VMB 引腳需通過低 ESR 陶瓷旁路電容（推薦值為 0.1-μF，額定電壓為 VMx）旁路到 GND，電容應(yīng)盡可能靠近引腳，并使用厚走線或接地平面連接到設(shè)備的 GND 引腳。
• 需使用適當(dāng)?shù)拇笕萘侩娙輰?VMA 和 VMB 引腳旁路到地，可選擇電解電容并將其放置在靠近 DRV8814 的位置。
• 在 CPL 和 CPH 引腳之間放置一個(gè)低 ESR 陶瓷電容（推薦值為 0.01-μF，額定電壓為 VMx），并盡可能靠近引腳。
• 在 VMA 和 VCP 引腳之間放置一個(gè)低 ESR 陶瓷電容（推薦值為 0.1-μF，額定電壓為 16 V），并靠近引腳，同時(shí)在 VCP 和 VMA 之間放置一個(gè) 1-MΩ 電阻。
• 使用額定電壓為 6.3 V 的陶瓷電容將 V3P3 旁路到地，并將旁路電容靠近引腳放置。

  9.2 布局示例

  文檔中提供了 DRV8814 的布局示例，展示了電容、電阻等元件的放置位置，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供了參考。

  9.3 熱考慮

• 熱保護(hù)：DRV8814 具備熱關(guān)斷（TSD）功能，當(dāng)芯片溫度超過約 150°C 時(shí)，設(shè)備將被禁用，直到溫度下降到安全水平。如果芯片頻繁進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，可能意味著存在過度功率耗散、散熱不足或環(huán)境溫度過高等問題。
• 功率耗散：芯片的功率耗散主要由輸出 FET 的電阻 (R{DS(ON)}) 決定，可通過公式 (P{TOT } = 4 × R{DS(ON)} timesleft(I{OUT(RMS) }right)^{2}) 大致估算，其中 (I{OUT(RMS)}) 約為滿量程輸出電流設(shè)置的 0.7 倍。由于 (R{DS(ON)}) 會隨溫度升高而增加，因此在設(shè)計(jì)散熱片時(shí)需要考慮這一因素。
• 散熱設(shè)計(jì)：PowerPAD? 封裝采用外露焊盤散熱，需將該焊盤與 PCB 上的銅層進(jìn)行熱連接。在多層 PCB 上有接地平面時(shí)，可通過添加多個(gè)過孔將散熱焊盤連接到接地平面；在沒有內(nèi)部平面的 PCB 上，可在 PCB 兩側(cè)添加銅面積來散熱，若銅面積在 PCB 另一側(cè)，可使用熱過孔傳遞