深度解析 DRV8870：性能卓越的有刷直流電機驅動器

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的電機驅動器是至關重要的。今天，咱們就來深入剖析德州儀器（TI）的 DRV8870 有刷直流電機驅動器，看看它有哪些獨特之處，以及如何在實際應用中發揮其最大效能。

文件下載：drv8870.pdf

關鍵特性一覽

強大的驅動能力

DRV8870 采用 H 橋電機驅動架構，能夠驅動一臺直流電機、步進電機的一個繞組或其他負載。其工作電壓范圍寬廣，從 6.5V 到 45V，典型的 (R_{DS(on)})（高側 + 低側）為 565mΩ，具備 3.6A 的峰值電流驅動能力，這使得它在各種不同功率需求的應用場景中都能游刃有余。

靈活的控制方式

它配備了 PWM 控制接口，通過脈沖寬度調制可以輕松控制電機的速度。同時，還集成了電流調節功能，基于模擬輸入 VREF 和 ISEN 引腳電壓（與電機電流成正比），能夠將電流限制在已知水平，顯著降低系統的功率需求和維持穩定電壓所需的大容量電容，特別是在電機啟動和堵轉的情況下，優勢更為明顯。

低功耗與小體積

該驅動器具備低功耗睡眠模式，當兩個邏輯輸入都置低時，即可進入此模式，大大降低了系統的功耗。并且它采用了 8 引腳 HSOP 帶 PowerPAD? 封裝，尺寸僅為 4.9 × 6.0mm，節省了電路板空間，非常適合對空間要求較高的應用。

完善的保護機制

DRV8870 集成了多種保護功能，包括 VM 欠壓鎖定（UVLO）、過流保護（OCP）、熱關斷（TSD）以及自動故障恢復功能。一旦出現故障，這些保護機制能夠迅速響應，確保驅動器和電機的安全，當故障條件消除后，又能自動恢復正常運行。

應用領域廣泛

DRV8870 的應用領域十分廣泛，涵蓋了打印機、家電、工業設備以及其他機電一體化應用等。在這些應用中，它的高性能和可靠性得到了充分的驗證。

詳細的功能解析

橋控制

DRV8870 的輸出由四個 N 溝道 MOSFET 組成，通過兩個邏輯輸入 IN1 和 IN2 進行控制。這兩個輸入可以設置為靜態電壓實現 100% 占空比驅動，也可以進行脈沖寬度調制（PWM）來實現可變電機速度。通過不同的輸入組合，可以實現電機的正轉、反轉、制動和滑行等功能，為電機控制提供了豐富的選擇。

睡眠模式

當 IN1 和 IN2 引腳都為低電平持續時間 t (SLEEP)（典型值為 1ms）時，驅動器進入低功耗睡眠模式，此時輸出保持高阻態，僅消耗 I (VMSLEEP)（μA）的電流。當輸入引腳變為高電平至少 5μs 后，驅動器在 50μs（(t_{ON})）后恢復正常工作，這種模式有效地降低了系統的功耗。

電流調節

驅動器根據模擬輸入 VREF 和 ISEN 引腳的外部檢測電阻的阻值來限制輸出電流，計算公式為 (TRIP (A)=frac{VREF(V)}{A{v} × R{ISEN }(Omega)}=frac{VREF(V)}{10 × R_{ISEN }(Omega)})。當達到跳閘電流 I (TRIP) 時，驅動器會通過啟用兩個低側 FET 來強制實現緩慢電流衰減，持續時間為 t (OFF)（典型值為 25μs），之后根據輸入重新啟用輸出。

死區時間

在輸出從高電平驅動切換到低電平驅動，或者從低電平驅動切換到高電平驅動時，會自動插入死區時間 (t_{DEAD})，以防止直通現象的發生，確保驅動器的安全穩定運行。

保護電路

• VM 欠壓鎖定（UVLO）：當 VM 引腳電壓低于欠壓鎖定閾值時，H 橋中的所有 FET 都會被禁用，直到 VM 電壓上升到閾值以上才會恢復運行。
• 過流保護（OCP）：如果輸出電流超過 OCP 閾值 I (OCP) 并持續超過 t (OCP) 時間，H 橋中的所有 FET 會被禁用一段時間 t (RETRY)，之后根據輸入狀態重新啟用。如果過流故障仍然存在，這個過程會重復進行，直到故障消除。
• 熱關斷（TSD）：當芯片溫度超過安全限制時，H 橋中的所有 FET 會被禁用，當溫度下降到安全水平后，自動恢復正常運行。

設計與應用要點

典型應用設計

在典型應用中，需要根據電機的額定參數和工作要求，合理選擇設計參數，如電機電壓、RMS 電流、啟動電流、電流跳閘點、VREF 電壓、檢測電阻和 PWM 頻率等。同時，要注意正確連接各個引腳，確保驅動器和電機的正常工作。

電源供應

在電機驅動系統設計中，適當的本地大容量電容是非常重要的。它的大小需要綜合考慮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、電機類型和制動方法等因素。一般來說，大容量電容越大越好，但會增加成本和物理尺寸，因此需要進行系統級測試，以確定合適的電容大小。

布局設計

在電路板布局時，要遵循一定的原則。例如，大容量電容應盡量靠近電機驅動器，以減少高電流路徑的長度；連接金屬走線應盡可能寬，并使用多個過孔連接不同的 PCB 層，以降低電感；小容量電容應采用陶瓷電容，并靠近器件引腳放置；高電流輸出應使用寬金屬走線；器件的散熱墊應焊接到 PCB 頂層接地平面，并通過多個過孔連接到大面積底層接地平面，以提高散熱效果。

散熱考慮

由于 DRV8870 在工作過程中會產生熱量，因此散熱問題不容忽視。它具備熱關斷（TSD）功能，當芯片溫度超過約 175°C 時，器件會被禁用，直到溫度下降到滯后溫度以下。如果器件容易進入 TSD 狀態，可能意味著存在過度功耗、散熱不足或環境溫度過高等問題，需要采取相應的措施，如增加散熱片、優化 PCB 布局等。

總結

DRV8870 作為一款性能卓越的有刷直流電機驅動器，憑借其強大的驅動能力、靈活的控制方式、低功耗和完善的保護機制，在眾多應用領域中具有廣闊的應用前景。作為電子工程師，在設計電機驅動系統時，我們需要充分了解其特性和應用要點，合理進行設計和布局，以確保系統的性能和可靠性。大家在實際應用中是否也遇到過類似的電機驅動問題呢？歡迎一起交流探討。