DRV8935：工業(yè)應(yīng)用中的高性能四半橋驅(qū)動(dòng)器

在工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，一款性能卓越、功能豐富的驅(qū)動(dòng)器往往能為整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)顯著的提升。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）推出的 DRV8935 四半橋驅(qū)動(dòng)器，看看它究竟有哪些獨(dú)特之處。

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一、產(chǎn)品概述

DRV8935 專(zhuān)為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)，集成了四個(gè) 2.5 - A 的半 H 橋，支持 4.5 - V 至 33 - V 的寬電源電壓范圍，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)四個(gè)螺線(xiàn)管負(fù)載、兩個(gè)直流電機(jī)、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)或其他負(fù)載。它具有簡(jiǎn)單的 PWM 接口，方便與控制器連接，同時(shí)具備集成電流感應(yīng)和調(diào)節(jié)功能，能有效控制負(fù)載電流。此外，該驅(qū)動(dòng)器還擁有多種保護(hù)特性，可在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)保護(hù)設(shè)備安全。

二、關(guān)鍵特性

（一）強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力

• 多負(fù)載驅(qū)動(dòng)：可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)不同類(lèi)型的負(fù)載，如螺線(xiàn)管、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，為工業(yè)應(yīng)用提供了多樣化的選擇。
• 寬電壓范圍：4.5 - V 至 33 - V 的工作電源電壓范圍，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境，增強(qiáng)了產(chǎn)品的通用性。
• 低導(dǎo)通電阻：在 24 V、25°C 條件下，低 (R_{DS(ON)}) 為 330 mΩ（HS + LS），可降低功率損耗，提高效率。
• 高驅(qū)動(dòng)電流：在 24 V、25°C 時(shí)，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 2.5 - A，能滿(mǎn)足大多數(shù)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)需求。

（二）靈活的配置選項(xiàng)

• 可配置關(guān)斷時(shí)間 PWM 斬波：支持 7、16、24 或 32 μs 的關(guān)斷時(shí)間選擇，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置。
• 多邏輯輸入支持：支持 1.8 - V、3.3 - V、5.0 - V 邏輯輸入，方便與不同的控制器接口。

（三）低功耗與低 EMI 設(shè)計(jì)

• 低電流睡眠模式：睡眠模式電流僅為 2 μA，可有效降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
• 擴(kuò)頻時(shí)鐘：采用擴(kuò)頻時(shí)鐘技術(shù)，可降低電磁干擾（EMI），提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

（四）全面的保護(hù)功能

• 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng)電源電壓低于閾值時(shí)，自動(dòng)鎖定輸出，防止設(shè)備在異常電壓下工作。
• 電荷泵欠壓（CPUV）：監(jiān)測(cè)電荷泵電壓，確保高側(cè) N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)電壓正常。
• 過(guò)流保護(hù)（OCP）：當(dāng)通過(guò)任何 FET 的電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，及時(shí)切斷輸出，保護(hù)設(shè)備免受損壞。
• 熱關(guān)斷（OTSD）：當(dāng)芯片溫度超過(guò)閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉所有 MOSFET，防止過(guò)熱損壞。
• 故障輸出指示（nFAULT）：通過(guò) nFAULT 引腳輸出故障信號(hào)，方便系統(tǒng)及時(shí)檢測(cè)和處理故障。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

DRV8935 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋了眾多工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域，如：

• 冰箱風(fēng)門(mén)和制冰機(jī)：精確控制風(fēng)門(mén)的開(kāi)度和制冰機(jī)的運(yùn)行，提高冰箱的性能和效率。
• 紡織機(jī)械：驅(qū)動(dòng)紡織機(jī)械中的各種電機(jī)，實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制。
• 辦公和家庭自動(dòng)化：用于自動(dòng)窗簾、門(mén)鎖等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，提升生活的便利性。
• 工廠(chǎng)自動(dòng)化和機(jī)器人：為機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中的電機(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。
• 洗衣機(jī)、烘干機(jī)和洗碗機(jī)：控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高效的洗滌和烘干功能。
• 游戲機(jī)：驅(qū)動(dòng)游戲機(jī)中的各種電機(jī)，增強(qiáng)游戲的沉浸感。

四、詳細(xì)功能解析

（一）橋控制和電流調(diào)節(jié)

DRV8935 的 INx 輸入引腳可直接控制 OUTx 輸出的狀態(tài)（高或低）。通過(guò) VREF12 和 VREF34 引腳可分別控制 OUT1、OUT2 和 OUT3、OUT4 的負(fù)載電流，ITRIP 電流可通過(guò)公式 (I{TRIP }(A)= V{REF}(V) / 1.32 (V/A)) 計(jì)算得出。用戶(hù)可通過(guò)連接電阻分壓器從 DVDD 引腳到地來(lái)編程 (V_{REF}) 電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的精確控制。

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于連接到 VM 電源的負(fù)載，當(dāng) ITRIP 高于 (VM / R{LOAD}) 時(shí)，負(fù)載電流將被調(diào)節(jié)到 (VM / R{LOAD}) 水平；對(duì)于電感負(fù)載，需確保每個(gè)周期內(nèi)電流有足夠的衰減，以防止電流失控和觸發(fā)過(guò)流保護(hù)。

（二）衰減模式

在低側(cè) FET 電流啟用后，電流感應(yīng)比較器會(huì)在一段時(shí)間（約 1 μs）內(nèi)被忽略，以避免誤觸發(fā)。這段時(shí)間也設(shè)定了 PWM 的最小驅(qū)動(dòng)時(shí)間。

（三）電荷泵

集成的電荷泵用于為高側(cè) N 溝道 MOSFET 提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。在 VM 和 VCP 引腳之間需連接一個(gè)存儲(chǔ)電容，CPH 和 CPL 引腳之間需連接一個(gè)飛跨電容。

（四）線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)器

DRV8935 內(nèi)部集成了線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)器，DVDD 調(diào)節(jié)器可提供參考電壓，最大可提供 2 mA 的負(fù)載電流。為確保正常工作，需使用陶瓷電容將 DVDD 引腳旁路到地。

（五）邏輯和四電平引腳

邏輯電平引腳 IN1、IN2、IN3、IN4 和 nSLEEP 具有特定的輸入結(jié)構(gòu)，四電平邏輯引腳 TOFF 也有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。這些引腳的設(shè)計(jì)確保了驅(qū)動(dòng)器與外部控制器的穩(wěn)定連接和準(zhǔn)確控制。

（六）nFAULT 引腳

nFAULT 引腳為開(kāi)漏輸出，需上拉至 5 - V、3.3 - V 或 1.8 - V 電源。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，該引腳將變?yōu)檫壿嫷碗娖剑奖阆到y(tǒng)及時(shí)響應(yīng)。

五、典型應(yīng)用示例

以驅(qū)動(dòng)四個(gè)螺線(xiàn)管負(fù)載為例，詳細(xì)介紹 DRV8935 的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

（一）設(shè)計(jì)要求

（二）詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程

1. 電流調(diào)節(jié)：根據(jù) VREF 引腳電壓控制負(fù)載電流，確保每個(gè)通道的電流穩(wěn)定在設(shè)定值。
2. 功率損耗計(jì)算：功率損耗主要包括傳導(dǎo)損耗、開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)功耗。通過(guò)合理的計(jì)算和設(shè)計(jì)，可確保設(shè)備在正常工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
   • 傳導(dǎo)損耗：(P_{COND }=4 times(1.5 - A)^{2} × 0.165 - Omega = 1.485 - W)
   • 開(kāi)關(guān)損耗：(P{SW }=4 timesleft(P{SWRISE }+P{SWFALL }right))，其中 (P{SWRISE }=0.5 × VM × I{OUT } × t{RISE } × f{PWM})，(P_{SWFALL }=0.5 × VM × I{OUT } × t{FALL } × f{PWM})
   • 靜態(tài)功耗：(P{Q}=VM × I{VM}=24 V × 5 mA = 0.12 W)
   • 總功率損耗：(P{TOT }=P{COND }+P{SW }+P{Q}=1.485 - W + 0.576 - W + 0.12 - W = 2.181 - W)
3. 結(jié)溫計(jì)算：根據(jù)功率損耗和熱阻參數(shù)，計(jì)算設(shè)備的結(jié)溫。確保結(jié)溫在規(guī)定的工作范圍內(nèi)，以保證設(shè)備的可靠性。
   • HTSSOP 封裝：(T_{J}=25^{circ} C+left(2.181 - W × 31^{circ} C / Wright)=92.6^{circ} C)
   • VQFN 封裝：(T_{J}=25^{circ} C+left(2.181 - W × 40.7^{circ} C / Wright)=113.8^{circ} C)

六、電源和布局建議

（一）電源建議

• 每個(gè) VM 引腳需盡可能靠近設(shè)備放置一個(gè) 0.01 - μF 的 VM 額定陶瓷電容，同時(shí)在 VM 上添加一個(gè)大容量電容，以提供穩(wěn)定的電源。
• 大容量電容的選擇需考慮多種因素，如電機(jī)系統(tǒng)所需的最大電流、電源的電容和供電能力、電源與電機(jī)系統(tǒng)之間的寄生電感、可接受的電壓紋波等。

（二）布局建議

• VM 引腳：使用低 ESR 的陶瓷旁路電容（推薦 0.01 μF）將 VM 引腳旁路到 PGND，電容應(yīng)盡可能靠近 VM 引腳，并使用厚走線(xiàn)或接地平面連接到設(shè)備的 PGND 引腳。
• CPL 和 CPH 引腳：在 CPL 和 CPH 引腳之間放置一個(gè)低 ESR 的陶瓷電容（推薦 0.022 μF），并盡可能靠近引腳。
• VM 和 VCP 引腳：在 VM 和 VCP 引腳之間放置一個(gè)低 ESR 的陶瓷電容（推薦 0.22 μF、16 V），并盡可能靠近引腳。
• DVDD 引腳：使用低 ESR 的陶瓷電容（推薦 0.47 μF、6.3 V）將 DVDD 引腳旁路到地，并盡可能靠近引腳。
• 散熱焊盤(pán)：將散熱焊盤(pán)連接到系統(tǒng)地，以提高散熱性能。

七、總結(jié)

DRV8935 以其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力、靈活的配置選項(xiàng)、全面的保護(hù)功能和低功耗設(shè)計(jì)，成為工業(yè)應(yīng)用中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，優(yōu)化電源和布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮 DRV8935 的性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，我們也要關(guān)注設(shè)備的散熱和保護(hù)問(wèn)題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助電子工程師們更好地了解和應(yīng)用 DRV8935 驅(qū)動(dòng)器。你在使用類(lèi)似驅(qū)動(dòng)器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。