DRV8251：一款優(yōu)秀的有刷直流電機(jī)驅(qū)動器深度解析

在電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，有刷直流電機(jī)驅(qū)動器一直是非常關(guān)鍵的部件。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的 DRV8251，一款具有集成電流調(diào)節(jié)功能的 4.1 - A 有刷直流電機(jī)驅(qū)動器。

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一、DRV8251主要特性

（一）電源與性能特性

• 電源范圍廣：DRV8251 的工作電源電壓范圍為 4.5 - 48 V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，為不同功率需求的電機(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓。相比同類型產(chǎn)品，如 DRV8870 的 6.5 - 45 V 和 DRV8231 的 4.5 - 33 V，其電壓范圍更具優(yōu)勢，適用場景更為廣泛。
• 高輸出電流能力：具備 4.1 - A 峰值輸出電流能力，能夠滿足大多數(shù)有刷直流電機(jī)在啟動和運(yùn)行過程中的高電流需求，確保電機(jī)能夠穩(wěn)定、高效地工作。
• 低功耗睡眠模式：當(dāng) (V{VM}=24 - V{t})、(T_{J}=25^{circ}C) 時，睡眠模式電流小于 1 μA，大大降低了系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下的功耗，提高了能源利用效率。

（二）控制與調(diào)節(jié)特性

• PWM 控制接口：支持 1.8 - V、3.3 - V 和 5 - V 邏輯輸入，可以方便地與不同類型的控制器進(jìn)行接口連接，通過 PWM 信號實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的精確控制。
• 集成電流調(diào)節(jié)：通過比較模擬輸入 VREF 和 ISEN 引腳處電流感測分流電阻上的電壓，實(shí)現(xiàn)對輸出電流的調(diào)節(jié)，能夠有效限制電機(jī)啟動和堵轉(zhuǎn)時的大電流，保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動器。

（三）保護(hù)特性

• 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng) VM 電源電壓低于設(shè)定的閾值時，芯片自動進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，關(guān)閉內(nèi)部電路，防止因電源電壓過低導(dǎo)致的芯片損壞。
• 過流保護(hù)（OCP）：當(dāng)輸出電流超過設(shè)定的過流閾值時，芯片會進(jìn)入故障模式，關(guān)閉 H 橋中的所有 FET，直到通過將 INx 引腳置為低電平進(jìn)入睡眠模式或移除 VM 電源來重置芯片，從而保護(hù)芯片和電機(jī)免受過流損壞。
• 熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)芯片的結(jié)溫超過安全限制時，所有 FET 會被禁用，當(dāng)結(jié)溫下降到安全水平后，芯片會自動恢復(fù)正常工作，避免芯片因過熱而損壞。

（四）封裝特性

• 采用 8 - 引腳 HSOP 封裝，并帶有 PowerPAD?，尺寸僅為 4.9 × 6.0 mm，具有較小的封裝尺寸和占用面積，適合對空間要求較高的應(yīng)用場景。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

DRV8251 的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋了工業(yè)、消費(fèi)電子、醫(yī)療等多個領(lǐng)域，如打印機(jī)、真空機(jī)器人、洗衣機(jī)和烘干機(jī)、咖啡機(jī)、POS 打印機(jī)、電表、ATM 機(jī)、通風(fēng)機(jī)、手術(shù)設(shè)備、電子病床及床控系統(tǒng)、健身器材等。在這些應(yīng)用中，DRV8251 的高性能、高可靠性和低功耗特性能夠充分發(fā)揮作用，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

三、工作原理與功能分析

（一）功能框圖與關(guān)鍵模塊

DRV8251 是一款集成了 N 通道 H 橋、電荷泵、電流調(diào)節(jié)和保護(hù)電路的電機(jī)驅(qū)動器。電荷泵的作用是支持 N 通道 MOSFET 半橋和 100% 占空比驅(qū)動，提高了驅(qū)動器的效率。通過兩個邏輯輸入 IN1 和 IN2 控制 H 橋驅(qū)動器，H 橋由四個 N 通道 MOSFET 組成，典型的 (R_{DS(on)}) 為 450 mΩ，能夠驅(qū)動高電流。

（二）橋控制功能

H 橋的輸出由 IN1 和 IN2 兩個邏輯輸入控制，根據(jù)輸入信號的不同組合，H 橋可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車和滑行等功能。例如，當(dāng) IN1 = 0、IN2 = 1 時，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) IN1 = 1、IN2 = 0 時，電機(jī)正轉(zhuǎn)。在輸出狀態(tài)切換時，會自動插入死區(qū)時間 (t{DEAD})，防止上下橋臂直通，提高了系統(tǒng)的安全性。同時，輸入信號的邊沿到輸出變化存在傳播延遲時間 (t{PD})，這個時間考慮了輸入去毛刺時間和其他內(nèi)部邏輯傳播延遲，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（三）電流調(diào)節(jié)功能

DRV8251 通過外部 ISEN 引腳連接的分流電阻和模擬輸入 VREF 來實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)功能。根據(jù)公式 (I{TRIP}=frac{VREF}{A{V}× R{SENSE}}=frac{VREF}{10 × R{SENSE}}) 可以計(jì)算出電流跳閘點(diǎn) (I{TRIP})。當(dāng)輸出電流達(dá)到 (I{TRIP}) 時，芯片會通過啟用兩個低側(cè) FET 來實(shí)現(xiàn)慢電流衰減，持續(xù)時間為 (t_{OFF})。之后，輸出會根據(jù) INx 輸入重新啟用。如果不需要電流調(diào)節(jié)功能，可將 ISEN 引腳直接連接到 PCB 接地平面，但 VREF 電壓仍需保持在 0.3 - 5 V 之間，以提供足夠的噪聲裕量。

四、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）有刷直流電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用

1. 設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)有刷直流電機(jī)驅(qū)動電路時，需要考慮電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，如電機(jī)電壓、平均電機(jī)電流、電機(jī)啟動浪涌電流、電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流、電機(jī)電流跳閘點(diǎn)、VREF 電壓、感測電阻和 PWM 頻率等。例如，在一個示例設(shè)計(jì)中，電機(jī)電壓為 12 V，平均電機(jī)電流為 0.8 A，電機(jī)啟動浪涌電流和堵轉(zhuǎn)電流均為 2.1 A，電機(jī)電流跳閘點(diǎn)為 1.9 A，VREF 電壓為 4 V，感測電阻為 0.2 Ω，PWM 頻率為 20 kHz。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 電機(jī)電壓選擇：電機(jī)電壓的選擇取決于所選電機(jī)的額定參數(shù)和所需的轉(zhuǎn)速。在相同的 PWM 占空比下，較高的電壓可以使有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速更快，同時也會增加通過電機(jī)電感繞組的電流變化率。
• 電機(jī)電流控制：電機(jī)在低速、啟動和堵轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大電流，DRV8251 的電流調(diào)節(jié)功能可以有效限制這些大電流。此外，微控制器也可以通過在啟動時逐漸增加 PWM 占空比來限制浪涌電流。
• 感測電阻選擇：為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，感測電阻應(yīng)具有表面貼裝、低電感、足夠的功率額定值和靠近電機(jī)驅(qū)動器等特點(diǎn)。感測電阻的功率耗散為 ((I_{AVG})^{2}×R)，在選擇時需要考慮實(shí)際應(yīng)用中的電流大小和環(huán)境溫度等因素。為了降低成本和分散熱量，也可以使用多個標(biāo)準(zhǔn)電阻并聯(lián)的方式。

（二）堵轉(zhuǎn)檢測應(yīng)用

1. 設(shè)計(jì)原理

通過使用電流感測放大器（CSA）放大 DRV8251 的 ISEN 引腳電壓，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡單的堵轉(zhuǎn)檢測功能。當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，電機(jī)電流會顯著增加，微控制器通過模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）讀取 CSA 的輸出電壓，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)。

2. 設(shè)計(jì)要求與步驟

設(shè)計(jì)堵轉(zhuǎn)檢測電路時，需要考慮電機(jī)電壓、VREF 電壓、ISEN 電阻、堵轉(zhuǎn)電流、堵轉(zhuǎn)檢測閾值、浪涌電流忽略時間和堵轉(zhuǎn)檢測時間等參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意區(qū)分電機(jī)啟動時的浪涌電流和堵轉(zhuǎn)電流，避免誤判。通常，微控制器會在電機(jī)啟動后的一段時間 (t{INRUSH}) 內(nèi)忽略 CSA 輸出電壓高于堵轉(zhuǎn)閾值的信號，以防止將浪涌電流誤判為堵轉(zhuǎn)電流。同時，堵轉(zhuǎn)檢測時間 (t{STALL}) 的設(shè)置也很重要，它決定了系統(tǒng)對堵轉(zhuǎn)情況的響應(yīng)速度。

（三）繼電器驅(qū)動應(yīng)用

DRV8251 的 PWM 接口還可以用于驅(qū)動單線圈和雙線圈鎖存繼電器。在驅(qū)動單線圈繼電器時，通過 PWM 信號控制電機(jī)驅(qū)動器的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)來驅(qū)動繼電器，驅(qū)動完成后可以將輸出置為高阻態(tài)或剎車模式，以節(jié)省能量和避免反向電動勢的影響。在驅(qū)動雙線圈繼電器時，當(dāng)中心抽頭連接到 VM 時，只需要兩個低側(cè)驅(qū)動器，未使用的 FET 的體二極管可以作為續(xù)流二極管，不需要額外的續(xù)流二極管。

（四）多源采購與引腳兼容

DRV8870、DRV8251 和 DRV8231 采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 DDA 封裝，引腳兼容。當(dāng)系統(tǒng)需要電流感測功能時，可以使用電流感測放大器跨接在 (R_{SENSE}) 電阻上，將放大后的信號反饋給微控制器的 ADC。為了降低系統(tǒng)成本和減小物料清單（BOM）尺寸，DRV8231A/51A 的 IPROPI 功能可以替代電流感測放大器。在電路板設(shè)計(jì)過程中，可以通過放置或不放置（DNP）相關(guān)組件來兼容這兩種解決方案，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

五、電氣特性與熱性能分析

（一）電氣特性

在不同的工作條件下，DRV8251 的各項(xiàng)電氣參數(shù)表現(xiàn)穩(wěn)定。例如，在 (4.5 ~V ≤ V{VM} ≤ 48 ~V)、(-40^{circ}C ≤ T{J} ≤ 150^{circ}C) 的范圍內(nèi)，VM 睡眠模式電流在 (V{VM}=24 ~V)、IN1 = IN2 = 0、(T{J}=25^{circ}C) 時小于 1 μA，VM 活動模式電流在 (V_{VM}=24 ~V)、IN1 = IN2 = 1 時典型值為 3 mA，最大值為 4 mA。此外，還給出了邏輯輸入電平、MOSFET 導(dǎo)通電阻、輸出上升和下降時間、傳播延遲時間、電流調(diào)節(jié)增益等參數(shù)的詳細(xì)測試數(shù)據(jù)，為工程師的設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的參考。

（二）熱性能分析

1. 功耗計(jì)算

DRV8251 的總功耗由靜態(tài)電源電流功耗 (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，即 (P{TOT}=P{VM}+P{SW}+P{RDS})。通過具體的計(jì)算示例可以看出，在不同的工作條件下，各部分功耗的大小會有所不同。例如，在一個示例計(jì)算中，(P{VM}=96 mW)，(P{SW}=53 mW)，(P{RDS}=169 mW)，總功耗 (P{TOT}=318 mW)。

2. 結(jié)溫估算

根據(jù)總功耗 (P{TOT})、環(huán)境溫度 (T{A}) 和封裝熱阻 (R{theta JA}) 可以估算芯片的結(jié)溫 (T{J}=left(P{TOT} × R{theta JA}right)+T_{A})。需要注意的是，實(shí)際的結(jié)溫會受到 PCB 設(shè)計(jì)和周圍銅散熱的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中，通過系統(tǒng)運(yùn)行時的溫度測量來確定結(jié)溫更為可靠。

3. 熱性能模擬

通過對不同 PCB 疊層和銅面積的模擬分析，可以看出 PCB 的銅面積、層數(shù)和銅厚度對熱性能有顯著影響。更多的銅面積、更多的層數(shù)和更厚的銅平面可以降低 (R{theta JA}) 和 (Psi{JB})，提高 PCB 的散熱性能。此外，在瞬態(tài)情況下，驅(qū)動時間的長短也是影響熱性能的重要因素。短時間的大電流脈沖驅(qū)動時，芯片的管芯尺寸和封裝對熱性能起主導(dǎo)作用；而長時間的驅(qū)動脈沖時，電路板布局的影響更為顯著。

六、電源與布局建議

（一）電源推薦

在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，合適的本地大容量電容至關(guān)重要。大容量電容可以穩(wěn)定電機(jī)電壓，在電機(jī)需要大電流時快速提供能量。其容量的選擇需要考慮電機(jī)系統(tǒng)所需的最大電流、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、電機(jī)類型和電機(jī)制動方法等因素。一般來說，數(shù)據(jù)手冊會提供推薦值，但具體的電容大小還需要通過系統(tǒng)級測試來確定。同時，大容量電容的電壓額定值應(yīng)高于工作電壓，以提供足夠的余量，防止電機(jī)將能量反饋到電源時對電容造成損壞。

（二）布局設(shè)計(jì)

由于 DRV8251 集成了能夠驅(qū)動高電流的功率 MOSFET，在布局設(shè)計(jì)和外部組件放置時需要特別注意。建議使用低 ESR 的陶瓷電容作為 VM 到 GND 的旁路電容，如 X5R 和 X7R 類型。VM 電源電容應(yīng)盡可能靠近芯片放置，以減小環(huán)路電感。VM 電源大容量電容可以是陶瓷或電解類型，也應(yīng)靠近芯片。對于承載高電流的 VM、OUT1、OUT2 和 PGND 引腳，應(yīng)使用盡可能厚的金屬走線。芯片的散熱焊盤應(yīng)通過熱過孔連接到 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。同時，要最大化與散熱焊盤相連的銅平面面積，確保最佳的散熱效果。

綜上所述，DRV8251 是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的有刷直流電機(jī)驅(qū)動器，具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，充分考慮其各項(xiàng)特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理選擇外部組件和進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用 DRV8251 的過程中，有沒有遇到過一些獨(dú)特的問題或者有什么創(chuàng)新的應(yīng)用案例呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。