DRV8231A：高性能直流電機驅動芯片的設計與應用解析

一、引言

在電子工程師的日常工作中，電機驅動芯片的選擇和應用至關重要。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的DRV8231A，這是一款專為驅動有刷直流電機而設計的8引腳設備，具有集成度高、性能優越等特點，能滿足多種應用場景的需求。

文件下載：drv8231a.pdf

二、產品概述

2.1 基本特性

DRV8231A可在4.5V至33V的電源軌上驅動有刷直流電機。它通過兩個邏輯輸入控制由四個N溝道MOSFET組成的H橋驅動器，典型的 (R_{DS(on)}) 為600mΩ。其集成的電荷泵能內部提升VM電壓，充分增強高端FET。電機速度可通過0至200kHz的脈沖寬度調制（PWM）進行控制，當兩個輸入都置低時，設備進入低功耗睡眠模式。

2.2 集成電流感應與調節

該芯片還集成了電流感應反饋功能，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換為成比例的電壓。這種集成式電流感應方案優于傳統的外部分流電阻感應，能在關斷時間的緩慢衰減再循環期間提供電流信息，且無需外部功率分流電阻。同時，集成的電流調節功能可通過固定關斷時間的PWM斬波方案限制輸出電流。

三、規格參數

3.1 絕對最大額定值

在工作溫度范圍內，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，結溫范圍為 -40°C至150°C等。超出這些絕對最大額定值可能會導致設備永久性損壞。

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，如RUA（結到環境熱阻）、ReUC(top)（結到外殼頂部熱阻）和ReJB（結到電路板熱阻）等。

3.5 電氣特性

包括輸入滯后、輸入邏輯電流、MOSFET導通電阻、體二極管正向電壓、輸出上升和下降時間、輸入到輸出傳播延遲、輸出死區時間等參數。

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導通電阻等參數隨電源電壓和結溫的變化關系，以及AIPROPI增益誤差與電機電流的關系。

3.7 時序圖

給出了輸入到輸出的時序圖，明確了輸入信號與輸出信號之間的時間關系。

四、詳細描述

4.1 功能框圖

從功能框圖可以看出，DRV8231A由電源、電荷泵、H橋驅動器、邏輯控制、電流感應等部分組成，各部分協同工作實現電機的驅動和控制。

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，以及根據具體情況選擇合適的VM電源大容量電容。輸入可以設置為靜態電壓實現100%占空比驅動，也可以進行PWM調制實現可變電機速度控制。

4.3 電流感應與調節

4.3.1 電流感應

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)) 計算。該電流可通過外部電阻轉換為電壓，公式為 (V{IPROPI}(V)=I{PROPI}(A)× R_{IPROPI}(Omega ))。IPROPI輸出帶寬受內部電流感應電路的感應延遲時間限制。

4.3.2 電流調節

采用固定關斷時間的電流斬波方案，可在電機堵轉、高扭矩或其他高電流負載事件時限制輸出電流，無需外部控制器干預。

4.4 保護電路

4.4.1 過流保護（OCP）

每個FET上的模擬電流限制電路可通過內部限制柵極驅動來限制通過FET的電流。如果模擬電流限制持續時間超過OCP消隱時間，H橋中的所有FET將被禁用，經過OCP重試周期后驅動器重新啟用。

4.4.2 熱關斷（TSD）

當管芯溫度超過安全限制時，H橋中的所有FET將被禁用，管芯溫度降至安全水平后自動恢復運行。

4.4.3 VM欠壓鎖定（UVLO）

當VM引腳電壓低于UVLO閾值時，設備中的所有電路將被禁用，輸出FET被禁用，所有內部邏輯被復位。當VVM電壓上升到UVLO上升閾值以上時，設備恢復運行。

五、應用與實現

5.1 典型應用

5.1.1 有刷直流電機驅動

給出了典型的連接圖和設計參數，如電機電壓、平均電機電流、電機啟動浪涌電流、電機堵轉電流、電機電流跳閘點、VREF電壓、IPROPI感應電阻、PWM頻率等。在設計過程中，需要根據電機的額定值和所需的RPM選擇合適的電機電壓，同時利用電流調節功能限制電機啟動時的大電流。

5.1.2 堵轉檢測

通過IPROPI模擬電流感應反饋，系統可以實現簡單的堵轉檢測方案。微控制器通過ADC讀取IPROPI引腳的電壓，并與固件中設置的堵轉閾值進行比較，從而判斷電機是否堵轉。在設計時，需要考慮啟動浪涌電流的影響，避免誤判。

5.1.3 繼電器驅動

PWM接口可用于驅動單線圈和雙線圈鎖存繼電器，給出了相應的原理圖、時序圖和邏輯表。在驅動雙線圈繼電器時，通過控制IN1和IN2的輸入狀態，可以實現對兩個線圈的交替驅動。

5.1.4 多源設計

DRV8231A/51A的IPROPI功能可以替代傳統的電流感應放大器，在電路板設計過程中，可以靈活選擇使用IPROPI或行業標準的分流設備，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

設備的總功率耗散由靜態電源電流耗散 (P{VM})、功率MOSFET開關損耗 (P{SW}) 和功率MOSFET (R{DS(on)}) （導通）損耗 (P{RDS}) 三部分組成，可通過相應的公式進行計算。

5.2.2 熱性能

包括穩態熱性能和瞬態熱性能。穩態熱性能與PCB的銅面積、層數和銅厚度有關，更多的銅面積、更多的層數和更厚的銅平面可以降低熱阻，提高熱性能。瞬態熱性能還受驅動時間的影響，在短時間的大電流脈沖情況下，設備的管芯尺寸和封裝對熱性能起主導作用；而在長時間的驅動脈沖情況下，電路板布局對熱性能的影響更為顯著。

六、電源供應建議

在電機驅動系統設計中，適當的本地大容量電容至關重要。其容量大小取決于多種因素，如電機系統所需的最大電流、電源的電容和供電能力、電源與電機系統之間的寄生電感、可接受的電壓紋波、電機類型、電機制動方法等。數據手冊通常會提供推薦值，但需要進行系統級測試來確定合適的大容量電容尺寸。同時，大容量電容的電壓額定值應高于工作電壓，以應對電機向電源傳輸能量的情況。

七、布局設計

7.1 布局指南

由于DRV8231A集成了能夠驅動大電流的功率MOSFET，因此在布局設計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，VM電源電容應盡可能靠近設備放置，以減小環路電感。VM、OUT1、OUT2和GND等承載大電流的線路應采用較厚的金屬布線。設備的散熱墊應通過散熱過孔連接到PCB頂層接地平面和內部接地平面（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，以實現良好的電氣性能和散熱效果。

八、總結

DRV8231A是一款功能強大、性能優越的有刷直流電機驅動芯片，具有集成電流感應、多種保護功能、低功耗睡眠模式等特點。在實際應用中，電子工程師需要根據具體的設計需求，合理選擇外部組件，優化布局設計，以充分發揮芯片的性能。同時，要注意電源供應和熱管理等方面的問題，確保系統的穩定性和可靠性。希望本文能為電子工程師在使用DRV8231A進行設計時提供有價值的參考。你在使用DRV8231A的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。