解析 DRV8701 有刷直流電機全橋柵極驅動器的特性與應用

在電機驅動領域，各類先進的驅動芯片不斷涌現，為工程師們提供了更多的選擇和設計思路。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的 DRV8701 有刷直流電機全橋柵極驅動器，它在眾多應用場景中都展現出了卓越的性能。

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1. 產品概述

DRV8701 是一款單 H 橋柵極驅動器，利用四個外部 N 溝道 MOSFET 來驅動 12V 至 24V 的雙向有刷直流電機。其 5.9V 至 45V 的寬工作電源電壓范圍，使其能夠適應多種不同的電源環境。該芯片提供了 PH/EN（DRV8701E）或 PWM（DRV8701P）兩種控制接口選項，方便與控制器電路進行簡單的連接。內部集成的檢測放大器可實現可調電流控制，并且采用固定關斷時間 PWM 電流斬波技術來調節繞組電流，有效限制電機的浪涌電流。

同時，芯片具備低功耗睡眠模式，僅消耗 9μA 的電流，通過拉低 nSLEEP 引腳即可開啟該模式。此外，還集成了兩個 LDO 穩壓器（AVDD 為 4.8V，最大輸出負載 30mA；DVDD 為 3.3V，最大輸出負載 30mA）為外部組件供電。在封裝方面，采用 24 引腳的 VQFN（PowerPAD?）封裝，尺寸為 4.0×4.0×0.9mm，體積小巧，節省了 PCB 空間。

2. 關鍵特性詳解

2.1 橋接控制

DRV8701E 通過 PH/EN 接口進行控制，DRV8701P 則采用 PWM（IN1/IN2）接口。以驅動單個有刷直流電機為例，不同的輸入組合會使 H 橋處于不同的狀態，如正向驅動、反向驅動、制動等。例如，在 DRV8701E 中，當 nSLEEP 為高電平、EN 為高電平且 PH 為高電平時，電機實現正向驅動；當 PH 為低電平時，則為反向驅動。這種清晰的邏輯控制方式，讓工程師能夠輕松實現電機的正反轉控制。

2.2 半橋操作

DRV8701 還支持半橋操作模式。在這種模式下，只需將 GH1 和 GL1 斷開連接，并從 SH1 連接一個 1/10W、330Ω、5%的電阻到 GND 即可。對于 DRV8701E，通過將 PH 引腳拉低進行控制；對于 DRV8701P，同樣有相應的控制邏輯。這種靈活的操作模式，為一些特定的應用場景提供了更多的可能性。

2.3 電流調節

電機繞組中的最大電流通過固定關斷時間的 PWM 電流調節（即電流斬波）來進行調節。當 H 橋處于正向或反向驅動狀態時，電流會根據繞組的直流電壓和電感以一定的速率上升。當電流達到斬波閾值后，橋接進入制動（低側慢衰減）模式，直到關斷時間 (t{OFF}) 結束。在實際設計中，我們可以通過選擇合適的檢測電阻值和在 VREF 引腳設置電壓來設定斬波電流。例如，使用 50mΩ 的檢測電阻，當 (V{REF}) 為 3.3V 時，滿量程斬波電流將達到 3.25A。這種電流調節功能對于限制電機的啟動和堵轉電流非常有效，能夠保護電機和驅動電路。

2.4 放大器輸出 SO

SO 引腳輸出的模擬電壓等于 SP 和 SN 引腳之間電壓乘以放大器增益 (A{V})（在 DRV8701 中 (A{V}) 為 20V/V），該電壓僅在正向或反向驅動時有效。通過這個引腳，系統控制器可以準確測量電機電流。例如，當 SP 和 SN 為 0V 時，SO 輸出放大器的失調電壓 (V_{OFF})。不過需要注意的是，如果 SP 和 SN 之間的電壓超過 1V，芯片會標記過流情況。

2.5 PWM 電機柵極驅動器

DRV8701 內部的柵極驅動器直接驅動 N 溝道 MOSFET，從而驅動電機電流。其中，高端柵極驅動由電荷泵提供，低端柵極驅動電壓由內部穩壓器產生。通過 IDRIVE 引腳可以調節柵極驅動器的峰值驅動電流，峰值源電流可以設置為 6mA、12.5mA、25mA、100mA 或 150mA，峰值灌電流約為峰值源電流的 2 倍。在選擇柵極驅動強度時，需要確保所選電流足夠高，以便在 (t_{DRIVE}) 期間完全對柵極電容進行充電和放電，否則會導致 FET 中產生過多的功率損耗。

2.6 IDRIVE 引腳

IDRIVE 引腳的設置非常關鍵，它可以通過設置電阻值或施加電壓來調整 H 橋輸出（SHx 引腳）的上升和下降時間。不同的 IDRIVE 電阻設置會對應不同的源電流和灌電流。例如，將 IDRIVE 連接到 GND 時，選擇最低的驅動設置，源電流為 6mA，灌電流為 12.5mA；如果該引腳懸空，則選擇 100mA 源電流和 200mA 灌電流的設置。當 IDRIVE 短路到 AVDD 時，高端 FET 的 (V_{DS}) 過流監測將被禁用，此時柵極驅動器配置為 25mA 源電流和 50mA 灌電流。

2.7 保護電路

DRV8701 具備完善的保護電路，能夠有效保護芯片和電機免受各種異常情況的損害。

• VM 欠壓鎖定（UVLO）：當 VM 引腳電壓低于 UVLO 閾值時，H 橋中的所有 FET 被禁用，電荷泵和 AVDD 也被禁用，nFAULT 引腳被拉低。只有當 VM 電壓上升到 UVLO 閾值以上時，操作才會恢復。
• VCP 欠壓鎖定（CPUV）：若 VCP 引腳電壓低于電荷泵欠壓閾值，H 橋中的所有 FET 被禁用，nFAULT 引腳被拉低。當 VCP 電壓上升到閾值以上時，操作恢復。
• 過流保護（OCP）：通過監測外部 FET 上的 (V{DS}) 電壓降來檢測過流情況。如果驅動的 FET 上的電壓超過過流跳閘閾值（(V{DS OCP})）且持續時間超過 OCP 消隱時間（(t{OCP})），則會檢測到 OCP 事件，H 橋中的所有 FET 被禁用，nFAULT 引腳被拉低。經過 OCP 重試周期（(t{RETRY})）后，驅動器重新啟用。
• 預驅動器故障（PDF）：監測 GHx 和 GLx 引腳，如果在 (t{DRIVE}) 之后，外部 FET 柵極電壓沒有上升到 1V 以上（源電流時）或下降到 1V 以下（灌電流時），則檢測到預驅動器故障，H 橋中的所有 FET 被禁用，nFAULT 引腳被拉低。經過重試周期（(t{RETRY})）后，驅動器重新啟用。
• 熱關斷（TSD）：當芯片的管芯溫度超過 (T{TSD}) 時，H 橋中的所有 FET 被禁用，電荷泵關閉，AVDD 被禁用，nFAULT 引腳被拉低。當管芯溫度下降到 (T{TSD}-T_{HYS}) 以下時，操作自動恢復。

3. 應用設計與注意事項

3.1 有刷直流電機控制應用

在設計有刷直流電機控制系統時，首先需要根據系統的需求確定設計參數，如標稱電源電壓、電源電壓范圍、FET 的總柵極電荷和柵極 - 漏極電荷、目標 FET 柵極上升時間以及電機電流斬波水平等。然后按照以下步驟進行設計：

• 外部 FET 選擇：根據電荷泵容量和輸出 PWM 頻率來選擇合適的 FET。例如，在 (VM = 7V)（(I{VCP}=8mA)）的系統中，使用最大 PWM 頻率為 40kHz 時，DRV8701 可以支持 (Q{G}<200nC) 的 FET。
• IDRIVE 配置：根據 FET 的柵極電荷來選擇 IDRIVE。對于已知柵極 - 漏極電荷（(Q{GD})）和期望上升時間（RT）的 FET，可以通過 (IDRIVE >frac{Q{GD}}{RT}) 來選擇合適的 IDRIVE。例如，當 (Q_{GD}) 為 2.3nC，期望上升時間在 100 到 300ns 之間時，可以選擇 IDRIVE 在 7.7 到 23mA 之間，最終可以選擇 12.5mA 源電流（25mA 灌電流），此時需要從 IDRIVE 引腳到 GND 連接一個 33kΩ 的電阻。
• 電流斬波配置：根據所需的斬波電流，選擇合適的檢測電阻值和 VREF 電壓。例如，若期望斬波電流為 3A，選擇 (R_{SENSE}=50mΩ) 時，VREF 應為 3.05V。可以通過創建一個從 AVDD（4.8V）的電阻分壓器來設置 (VREF ≈3V)，設置 (R2 = 3.3kΩ)，(R1 = 2kΩ)。

3.2 電源供應

DRV8701 設計用于在 5.9V 至 45V 的輸入電壓供應（VM）范圍內工作。在設計電源電路時，需要在靠近 DRV8701 的位置放置一個額定為 VM 的 0.1μF 陶瓷電容器，同時在 VM 上還需要至少一個 10μF 的大容量電容器。外部 H 橋 FET 的旁路可能需要額外的大容量電容。大容量電容的大小需要根據系統的具體需求來確定，例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、電機類型以及電機制動方法等。一般來說，適當增加大容量電容有助于穩定電機電壓，但會增加成本和物理尺寸。

3.3 PCB 布局

合理的 PCB 布局對于 DRV8701 的性能至關重要。以下是一些布局準則：

• 旁路電容：使用額定為 VM 的 0.1μF 低 ESR 陶瓷旁路電容將 VM 引腳旁路到 GND，并盡可能靠近 VM 引腳放置，同時使用厚跡線或接地平面連接到器件的 GND 引腳。使用額定為 VM 的大容量電容將 VM 引腳旁路到地，該電容可以是電解電容，其值至少為 10μF，并應盡量縮短通過外部 FET 的高電流路徑的距離。
• 電荷泵相關電容：在 CPL 和 CPH 引腳之間放置一個 0.1μF 額定為 VM 的低 ESR 陶瓷電容，并盡可能靠近引腳。在 VM 和 VCP 引腳之間放置一個 1μF 額定為 16V 的低 ESR 陶瓷電容，并盡可能靠近引腳。
• 其他旁路電容：使用額定為 6.3V 的陶瓷電容將 AVDD 和 DVDD 旁路到地，并盡可能靠近引腳放置。
• 布線：使用單獨的跡線將 SP 和 SN 引腳連接到 (R_{SENSE}) 端子。如果需要，可以按照推薦的方式排列外部 NMOS FET，以方便布線，并將 SH2 和 SH1 網絡連接到電機。

4. 結語

DRV8701 作為一款功能強大的有刷直流電機全橋柵極驅動器，憑借其豐富的特性、靈活的控制方式和完善的保護功能，在工業、機器人、智能家居等多個領域都有廣闊的應用前景。工程師們在使用該芯片進行設計時，需要深入理解其各項特性和參數，結合具體的應用場景進行合理的設計和布局，以充分發揮其性能優勢，為電機驅動系統帶來更高效、穩定的運行體驗。

希望通過本文的介紹，能讓大家對 DRV8701 有更深入的了解。在實際應用中，你是否也遇到過一些與 DRV8701 相關的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。