DRV8823電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確控制的關(guān)鍵組件。今天，我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）的DRV8823電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它為打印機(jī)、掃描儀、辦公自動(dòng)化設(shè)備等眾多應(yīng)用提供了集成化的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。

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1. 芯片特性

1.1 強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力

DRV8823集成了四個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)直流電機(jī)，或者四個(gè)直流電機(jī)。每個(gè)繞組的電流最高可達(dá)1.5A，且具有低導(dǎo)通電阻，能有效降低功率損耗。同時(shí)，它支持可編程的最大繞組電流，通過三位繞組電流控制，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)八個(gè)電流水平的調(diào)節(jié)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

1.2 寬電壓范圍與內(nèi)部電路

該芯片的工作電源電壓范圍為8 - 32V，內(nèi)部集成了電荷泵用于柵極驅(qū)動(dòng)，并內(nèi)置3.3V參考電壓。這使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，為電機(jī)提供可靠的驅(qū)動(dòng)電壓。

1.3 數(shù)字控制與保護(hù)功能

采用串行數(shù)字控制接口，只需幾個(gè)數(shù)字信號(hào)就能控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的所有功能。此外，芯片還具備全面的保護(hù)功能，能有效防止欠壓、過溫和過流等異常事件對(duì)芯片造成損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.4 封裝優(yōu)勢(shì)

采用熱增強(qiáng)型表面貼裝封裝，有助于芯片散熱，提高了芯片在高功率應(yīng)用中的穩(wěn)定性。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

DRV8823的應(yīng)用十分廣泛，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)化和機(jī)器人等多個(gè)領(lǐng)域。其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力和靈活的控制方式，使其成為這些應(yīng)用中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的理想選擇。

3. 芯片詳細(xì)介紹

3.1 基本結(jié)構(gòu)

芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包含四個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器采用N溝道功率MOSFET配置成H橋，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組。通過簡(jiǎn)單的串行接口，可對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的所有功能進(jìn)行控制，同時(shí)還具備低功耗睡眠功能，能在不使用時(shí)降低功耗。

3.2 PWM電流控制

提供PWM電流控制功能，電流可根據(jù)外部提供的參考電壓和外部電流檢測(cè)電阻進(jìn)行編程。通過串行接口可設(shè)置八個(gè)電流水平，實(shí)現(xiàn)雙極步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)控制，提高了電機(jī)的控制精度。

3.3 保護(hù)機(jī)制

內(nèi)置過流保護(hù)（OCP）、短路保護(hù)、欠壓鎖定和過溫保護(hù)等關(guān)機(jī)功能，確保芯片在異常情況下能及時(shí)保護(hù)自身，避免損壞。

4. 規(guī)格參數(shù)

4.1 絕對(duì)最大額定值

包括電源電壓、邏輯輸入電壓、電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出電流、連續(xù)總功耗、工作虛擬結(jié)溫、工作環(huán)境溫度和存儲(chǔ)溫度等參數(shù)，這些參數(shù)規(guī)定了芯片正常工作的極限條件，使用時(shí)需嚴(yán)格遵守。

4.2 ESD額定值

芯片的靜電放電（ESD）額定值為人體模型（HBM）±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）±1000V，表明芯片具有一定的ESD防護(hù)能力，但在使用過程中仍需注意靜電防護(hù)。

4.3 推薦工作條件

推薦的電機(jī)電源電壓范圍為8 - 32V，連續(xù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出電流為1 - 1.5A，VREF輸入電壓為1 - 4V。在這些條件下使用芯片，能確保其性能的穩(wěn)定性和可靠性。

4.4 熱信息

給出了芯片的熱阻參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境熱阻、結(jié)到外殼熱阻等，這些參數(shù)對(duì)于芯片的散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

4.5 電氣特性

包括電源電流、欠壓鎖定電壓、電荷泵電壓、邏輯電平輸入特性、過溫保護(hù)溫度、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通電阻、關(guān)斷狀態(tài)泄漏電流、PWM頻率等參數(shù)，這些參數(shù)反映了芯片的電氣性能指標(biāo)。

5. 功能模式

5.1 橋控制

通過串行接口寄存器中的xENBL位和xPHASE位，可分別控制每個(gè)H橋的電流導(dǎo)通和電流方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

5.2 電流調(diào)節(jié)

采用固定頻率PWM電流調(diào)節(jié)（電流斬波）方式，當(dāng)繞組電流達(dá)到閾值時(shí)，電流會(huì)被切斷，直到下一個(gè)PWM周期。PWM頻率固定為50kHz，也可通過工廠選項(xiàng)設(shè)置為100kHz。斬波電流由比較器根據(jù)電流檢測(cè)電阻上的電壓和參考電壓進(jìn)行設(shè)置。

5.3 消隱時(shí)間

在H橋電流啟用后的一段固定時(shí)間內(nèi)，會(huì)忽略xISEN引腳的電壓，以避免電流尖峰對(duì)電流檢測(cè)的影響。

5.4 衰減模式

支持慢衰減和混合衰減兩種模式。在PWM電流斬波閾值達(dá)到后，H橋可進(jìn)入不同的衰減狀態(tài)?；旌纤p模式開始為快速衰減，在固定時(shí)間（PWM周期的75%）后切換為慢衰減模式。

5.5 保護(hù)電路

芯片具備完善的保護(hù)電路，包括OCP、熱關(guān)斷（TSD）、欠壓鎖定（UVLO）和防直通電流保護(hù)等，確保芯片在各種異常情況下能正常工作。

5.6 串行數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸采用16位串行數(shù)據(jù)，從SDATA引腳LSB優(yōu)先移入。通過設(shè)置串行數(shù)據(jù)中的地址字段，可選擇控制電機(jī)1或電機(jī)2的寄存器。數(shù)據(jù)只有在SCS輸入引腳為高電平時(shí)才能傳輸?shù)酱薪涌?，并在SSTB引腳的上升沿鎖存到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。

6. 編程

芯片的編程通過設(shè)置特定的寄存器位來實(shí)現(xiàn)，不同的位組合對(duì)應(yīng)不同的功能控制。例如，通過設(shè)置電機(jī)1和電機(jī)2的命令寄存器，可控制電機(jī)的衰減模式、電流水平、電流方向等。

7. 應(yīng)用與設(shè)計(jì)

7.1 典型應(yīng)用

可用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極步進(jìn)電機(jī)，在典型應(yīng)用電路中，需合理連接芯片的各個(gè)引腳，并選用合適的外部組件，如電容、電阻等，以確保芯片的正常工作。

7.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

7.2.1 電源設(shè)計(jì)

合適的本地大容量電容對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。電容的大小需根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)的最高電流、電源的電容和電流供應(yīng)能力、電源與電機(jī)系統(tǒng)之間的寄生電感、可接受的電壓紋波以及電機(jī)類型等因素來確定。一般來說，增加電容容量有助于穩(wěn)定電機(jī)電壓，但會(huì)增加成本和物理尺寸。

7.2.2 布局設(shè)計(jì)

布局時(shí)應(yīng)盡量減小大電流路徑通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的距離，連接金屬走線寬度應(yīng)盡可能寬，并使用多個(gè)過孔連接PCB層，以降低電感，使大容量電容能夠提供大電流。小容量電容應(yīng)選用陶瓷電容，并靠近芯片引腳放置。高電流設(shè)備輸出應(yīng)使用寬金屬走線，芯片的散熱焊盤應(yīng)焊接到PCB頂層接地平面，并使用多個(gè)過孔連接到底層大接地平面，以幫助散熱。

7.2.3 熱設(shè)計(jì)

芯片的功耗主要由輸出FET電阻的功耗決定，隨著溫度升高，(R_{DS(ON)})會(huì)增加，導(dǎo)致功耗進(jìn)一步增大。因此，在設(shè)計(jì)散熱片時(shí)需考慮這一因素。PowerPAD?封裝通過暴露焊盤將熱量從芯片中導(dǎo)出，可通過在PCB上添加過孔將熱焊盤連接到接地平面來實(shí)現(xiàn)散熱。在多層PCB上，可通過增加過孔數(shù)量來提高散熱效果；在沒有內(nèi)部平面的PCB上，可在PCB兩側(cè)增加銅面積來散熱。

8. 總結(jié)

DRV8823電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、靈活的控制方式和完善的保護(hù)功能，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供了可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇芯片的工作參數(shù)，優(yōu)化電源、布局和熱設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為大家在使用DRV8823芯片時(shí)提供一些有用的參考。你在使用DRV8823芯片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。