DRV8872：高效多功能有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，有刷直流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。而一款合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和性能發(fā)揮至關(guān)重要。今天就來(lái)詳細(xì)介紹德州儀器（TI）的DRV8872有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

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一、產(chǎn)品概述

DRV8872是一款專(zhuān)為打印機(jī)、電器、工業(yè)設(shè)備和其他小型機(jī)器設(shè)計(jì)的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。它采用8引腳封裝，尺寸小巧，僅為4.9×6mm ，但功能強(qiáng)大。其工作電壓范圍寬達(dá)6.5 - 45V ，能提供高達(dá)3.6A的峰值電流，足以驅(qū)動(dòng)各類(lèi)有刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)繞組或其他負(fù)載。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

（一）驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)

DRV8872采用H橋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由四個(gè)N溝道MOSFET組成，典型的(R_{DS(on)})（高側(cè) + 低側(cè)）僅為565mΩ ，能有效降低導(dǎo)通損耗，提高驅(qū)動(dòng)效率。其3.6A的峰值電流驅(qū)動(dòng)能力，可滿(mǎn)足大多數(shù)有刷直流電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行需求。

（二）控制靈活

具備PWM控制接口，可通過(guò)脈沖寬度調(diào)制來(lái)精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。同時(shí)，還集成了電流調(diào)節(jié)功能，基于內(nèi)部參考電壓和ISEN引腳電壓（與通過(guò)外部感測(cè)電阻的電機(jī)電流成正比），能將電流限制在已知水平，顯著降低系統(tǒng)功率要求和維持穩(wěn)定電壓所需的大容量電容，尤其適用于電機(jī)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)等工況。

（三）低功耗模式

擁有低功耗睡眠模式，當(dāng)將兩個(gè)邏輯輸入IN1和IN2都設(shè)置為低電平時(shí)，器件進(jìn)入睡眠模式，可有效降低功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

（四）故障保護(hù)與報(bào)告

集成了多種保護(hù)功能，包括VM欠壓鎖定（UVLO）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）等。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障狀態(tài)輸出引腳nFAULT會(huì)拉低，向外部控制器報(bào)告故障信息。并且，該器件還支持自動(dòng)故障恢復(fù)功能，當(dāng)故障條件消除后，能自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

三、引腳配置與功能

四、規(guī)格參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

在正常工作條件下，需要注意一些參數(shù)的絕對(duì)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(huì)對(duì)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(duì)于散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。例如，DRV8872的結(jié)到環(huán)境熱阻(R{θJA})為41.1°C/W ，結(jié)到電路板熱阻(R{θJB})為23.1°C/W 。通過(guò)合理的散熱設(shè)計(jì)，可以避免器件因過(guò)熱而損壞。

五、功能詳細(xì)解析

（一）橋控制

DRV8872的輸出由四個(gè)N溝道MOSFET組成，通過(guò)兩個(gè)邏輯輸入IN1和IN2進(jìn)行控制。不同的輸入組合可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和滑行等功能。例如，當(dāng)IN1 = 0，IN2 = 1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)IN1 = 1，IN2 = 0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。

（二）睡眠模式

當(dāng)IN1和IN2都為低電平持續(xù)約1ms后，器件進(jìn)入低功耗睡眠模式，此時(shí)輸出處于高阻態(tài)，電流消耗極低。當(dāng)IN1或IN2變?yōu)楦唠娖街辽?μs后，器件在50μs后恢復(fù)正常工作。

（三）電流調(diào)節(jié)

通過(guò)外部感測(cè)電阻和ISEN引腳，DRV8872可以實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)功能。根據(jù)公式(I{TRIP }(A)=frac{V{TRIP }(V)}{R{ISEN }(Omega)}=frac{0.35( V)}{R{ISEN }(Omega)}) ，可以設(shè)置電機(jī)的電流限制。例如，當(dāng)(R_{ISEN } = 0.16Omega)時(shí)，電機(jī)電流將被限制在2.2A。

（四）死區(qū)時(shí)間

在輸出狀態(tài)切換時(shí)，為防止直通現(xiàn)象，器件會(huì)自動(dòng)插入死區(qū)時(shí)間(t_{DEAD}) ，一般為220ns。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，輸出處于高阻態(tài)，可有效保護(hù)器件。

（五）保護(hù)電路

1. VM欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng)VM引腳電壓低于欠壓鎖定閾值時(shí)，H橋中的所有FET將被禁用；當(dāng)VM電壓上升到閾值以上時(shí)，器件恢復(fù)正常運(yùn)行。
2. 過(guò)流保護(hù)（OCP）：如果輸出電流超過(guò)OCP閾值(I{OCP})并持續(xù)超過(guò)(t{OCP})時(shí)間，H橋中的所有FET將被禁用一段時(shí)間(t_{RETRY}) ，之后根據(jù)INx引腳狀態(tài)重新啟用。如果過(guò)流故障仍然存在，該過(guò)程將重復(fù)。
3. 熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)芯片溫度超過(guò)安全限制時(shí)，H橋中的所有FET將被禁用；當(dāng)溫度下降到安全水平后，器件自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

六、應(yīng)用與設(shè)計(jì)

（一）典型應(yīng)用電路

DRV8872的典型應(yīng)用電路包括電機(jī)、控制器、電源和一些必要的電容等元件。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)電機(jī)的參數(shù)和應(yīng)用需求，合理選擇電源電壓、感測(cè)電阻、PWM頻率等參數(shù)。

（二）設(shè)計(jì)步驟

1. 電機(jī)電壓選擇：電機(jī)電壓應(yīng)根據(jù)所選電機(jī)的額定值和所需的轉(zhuǎn)速來(lái)確定。較高的電壓可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速更快，但也會(huì)增加電機(jī)繞組中的電流變化率。
2. 驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算：驅(qū)動(dòng)電流路徑通過(guò)高側(cè)DMOS功率驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)繞組和低側(cè)DMOS功率驅(qū)動(dòng)器。功率損耗可以通過(guò)公式(P{D}=I^{2}left(R{D S( on ) Source }+R_{D S( on ) Sink }right))計(jì)算。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮PCB設(shè)計(jì)、環(huán)境溫度和PWM頻率等因素對(duì)最大RMS電流的影響。
3. 感測(cè)電阻選擇：感測(cè)電阻應(yīng)選擇表面貼裝器件，具有低電感、高功率額定值等特點(diǎn)，并盡量靠近電機(jī)驅(qū)動(dòng)器放置。其功率損耗為(I_{RMS}^{2} ×R) ，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要選擇多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻并聯(lián)，以分散電流和熱量。

七、布局與散熱設(shè)計(jì)

（一）布局準(zhǔn)則

在PCB布局時(shí)，應(yīng)盡量減小大容量電容與電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)使用多個(gè)過(guò)孔，以減小電感。同時(shí)，小容量電容應(yīng)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(guān)斷保護(hù)功能，但為了確保器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，仍需要進(jìn)行合理的散熱設(shè)計(jì)。可以通過(guò)將器件的散熱焊盤(pán)焊接到PCB頂層接地平面，并使用多個(gè)過(guò)孔連接到底層大接地平面，利用PCB作為散熱器來(lái)降低器件溫度。

八、總結(jié)

DRV8872是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有寬電壓范圍、高電流驅(qū)動(dòng)能力、靈活的控制方式和完善的保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體的需求，合理設(shè)計(jì)電路和布局，充分發(fā)揮該器件的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用DRV8872的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。