DRV8872：高效多功能有刷直流電機驅動器的設計與應用

在電機驅動領域，有刷直流電機因其結構簡單、控制方便等優點被廣泛應用。而一款合適的電機驅動器對于電機的穩定運行和性能發揮至關重要。今天就來詳細介紹德州儀器（TI）的DRV8872有刷直流電機驅動器。

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一、產品概述

DRV8872是一款專為打印機、電器、工業設備和其他小型機器設計的有刷直流電機驅動器。它采用8引腳封裝，尺寸小巧，僅為4.9×6mm ，但功能強大。其工作電壓范圍寬達6.5 - 45V ，能提供高達3.6A的峰值電流，足以驅動各類有刷直流電機、步進電機的一個繞組或其他負載。

二、產品特性亮點

（一）驅動能力強

DRV8872采用H橋驅動結構，由四個N溝道MOSFET組成，典型的(R_{DS(on)})（高側 + 低側）僅為565mΩ ，能有效降低導通損耗，提高驅動效率。其3.6A的峰值電流驅動能力，可滿足大多數有刷直流電機的啟動和運行需求。

（二）控制靈活

具備PWM控制接口，可通過脈沖寬度調制來精確控制電機的轉速。同時，還集成了電流調節功能，基于內部參考電壓和ISEN引腳電壓（與通過外部感測電阻的電機電流成正比），能將電流限制在已知水平，顯著降低系統功率要求和維持穩定電壓所需的大容量電容，尤其適用于電機啟動和堵轉等工況。

（三）低功耗模式

擁有低功耗睡眠模式，當將兩個邏輯輸入IN1和IN2都設置為低電平時，器件進入睡眠模式，可有效降低功耗，延長設備的續航時間。

（四）故障保護與報告

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）等。當出現故障時，故障狀態輸出引腳nFAULT會拉低，向外部控制器報告故障信息。并且，該器件還支持自動故障恢復功能，當故障條件消除后，能自動恢復正常運行。

三、引腳配置與功能

四、規格參數

（一）絕對最大額定值

在正常工作條件下，需要注意一些參數的絕對最大額定值，如電源電壓（VM）為 - 0.3 - 50V ，邏輯輸入電壓（IN1、IN2）為 - 0.3 - 7V 等。超出這些額定值可能會對器件造成永久性損壞。

（二）推薦工作條件

推薦的工作條件包括VM電壓為6.5 - 45V ，PWM頻率為0 - 200kHz ，峰值電流為0 - 3.6A等。在這些條件下使用，能確保器件的性能和可靠性。

（三）熱信息

了解器件的熱信息對于散熱設計至關重要。例如，DRV8872的結到環境熱阻(R{θJA})為41.1°C/W ，結到電路板熱阻(R{θJB})為23.1°C/W 。通過合理的散熱設計，可以避免器件因過熱而損壞。

五、功能詳細解析

（一）橋控制

DRV8872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。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。例如，當IN1 = 0，IN2 = 1時，電機反轉；當IN1 = 1，IN2 = 0時，電機正轉。

（二）睡眠模式

當IN1和IN2都為低電平持續約1ms后，器件進入低功耗睡眠模式，此時輸出處于高阻態，電流消耗極低。當IN1或IN2變為高電平至少5μs后，器件在50μs后恢復正常工作。

（三）電流調節

通過外部感測電阻和ISEN引腳，DRV8872可以實現電流調節功能。根據公式(I{TRIP }(A)=frac{V{TRIP }(V)}{R{ISEN }(Omega)}=frac{0.35( V)}{R{ISEN }(Omega)}) ，可以設置電機的電流限制。例如，當(R_{ISEN } = 0.16Omega)時，電機電流將被限制在2.2A。

（四）死區時間

在輸出狀態切換時，為防止直通現象，器件會自動插入死區時間(t_{DEAD}) ，一般為220ns。在死區時間內，輸出處于高阻態，可有效保護器件。

（五）保護電路

1. 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將被禁用；當VM電壓上升到閾值以上時，器件恢復正常運行。
2. 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將被禁用一段時間(t_{RETRY}) ，之后根據INx引腳狀態重新啟用。如果過流故障仍然存在，該過程將重復。
3. 熱關斷（TSD）：當芯片溫度超過安全限制時，H橋中的所有FET將被禁用；當溫度下降到安全水平后，器件自動恢復正常運行。

六、應用與設計

（一）典型應用電路

DRV8872的典型應用電路包括電機、控制器、電源和一些必要的電容等元件。在設計時，需要根據電機的參數和應用需求，合理選擇電源電壓、感測電阻、PWM頻率等參數。

（二）設計步驟

1. 電機電壓選擇：電機電壓應根據所選電機的額定值和所需的轉速來確定。較高的電壓可以使電機轉速更快，但也會增加電機繞組中的電流變化率。
2. 驅動電流計算：驅動電流路徑通過高側DMOS功率驅動器、電機繞組和低側DMOS功率驅動器。功率損耗可以通過公式(P{D}=I^{2}left(R{D S( on ) Source }+R_{D S( on ) Sink }right))計算。在設計時，需要考慮PCB設計、環境溫度和PWM頻率等因素對最大RMS電流的影響。
3. 感測電阻選擇：感測電阻應選擇表面貼裝器件，具有低電感、高功率額定值等特點，并盡量靠近電機驅動器放置。其功率損耗為(I_{RMS}^{2} ×R) ，在實際應用中，可根據需要選擇多個標準電阻并聯，以分散電流和熱量。

七、布局與散熱設計

（一）布局準則

在PCB布局時，應盡量減小大容量電容與電機驅動器之間的高電流路徑距離，使用盡可能寬的金屬走線，并在連接PCB層時使用多個過孔，以減小電感。同時，小容量電容應選擇陶瓷電容，并靠近器件引腳放置。

（二）散熱考慮

DRV8872具有熱關斷保護功能，但為了確保器件的長期穩定運行，仍需要進行合理的散熱設計。可以通過將器件的散熱焊盤焊接到PCB頂層接地平面，并使用多個過孔連接到底層大接地平面，利用PCB作為散熱器來降低器件溫度。

八、總結

DRV8872是一款功能強大、性能可靠的有刷直流電機驅動器，具有寬電壓范圍、高電流驅動能力、靈活的控制方式和完善的保護功能等優點。在實際應用中，工程師可以根據具體的需求，合理設計電路和布局，充分發揮該器件的性能優勢。大家在使用DRV8872的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有什么獨特的設計經驗呢？歡迎在評論區分享交流。