DRV8813雙橋電機(jī)控制器IC：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動是一個(gè)常見且關(guān)鍵的領(lǐng)域。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的DRV8813雙橋電機(jī)控制器IC，它為打印機(jī)、掃描儀和其他自動化設(shè)備應(yīng)用提供了集成的電機(jī)驅(qū)動解決方案。

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一、特性亮點(diǎn)

1. 寬電壓范圍與高電流驅(qū)動能力

DRV8813的工作電源電壓范圍為8.2V至45V，在24V和25°C環(huán)境下，最大驅(qū)動電流可達(dá)2.5A。這種寬電壓范圍和高電流驅(qū)動能力，使其能夠適應(yīng)多種不同的電機(jī)和應(yīng)用場景。

2. 雙H橋電流控制

該器件擁有兩個(gè)H橋驅(qū)動器，可驅(qū)動雙極步進(jìn)電機(jī)或兩個(gè)直流電機(jī)，還具備四級繞組電流控制功能。這意味著它可以靈活地控制電機(jī)的運(yùn)行，滿足不同的應(yīng)用需求。

3. 多種衰減模式

支持混合衰減、慢衰減和快衰減三種衰減模式。不同的衰減模式適用于不同的電機(jī)運(yùn)行情況，工程師可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇，以優(yōu)化電機(jī)的性能。

4. 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字控制接口

采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的并行數(shù)字控制接口，方便與其他設(shè)備進(jìn)行連接和控制。這種標(biāo)準(zhǔn)化的接口設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)集成的難度，提高了開發(fā)效率。

5. 低功耗睡眠模式

具備低電流睡眠模式，在不驅(qū)動電機(jī)時(shí)可以降低功耗，延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，對于一些對功耗敏感的應(yīng)用場景非常有用。

6. 內(nèi)置參考輸出

內(nèi)置3.3V參考輸出，可用于為其他電路提供穩(wěn)定的參考電壓，減少了外部元件的使用，簡化了電路設(shè)計(jì)。

7. 小封裝與保護(hù)特性

采用28引腳的HTSSOP封裝，體積小、占用空間少。同時(shí)，具備過流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）、VM欠壓鎖定（UVLO）和故障指示引腳（nFAULT）等保護(hù)功能，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

DRV8813的應(yīng)用非常廣泛，涵蓋了多個(gè)行業(yè)，包括：

• 金融設(shè)備：自動取款機(jī)、貨幣處理機(jī)等。
• 安防監(jiān)控：視頻安全攝像頭。
• 辦公設(shè)備：打印機(jī)、掃描儀、辦公自動化機(jī)器。
• 娛樂設(shè)備：游戲機(jī)。
• 工業(yè)自動化：工廠自動化、機(jī)器人等。

三、詳細(xì)描述

1. 功能概述

DRV8813集成了兩個(gè)NMOS H橋、電流檢測、調(diào)節(jié)電路和詳細(xì)的故障檢測功能。通過PHASE/ENBL接口，可以方便地與控制器電路進(jìn)行連接。繞組電流控制允許外部控制器調(diào)整提供給電機(jī)的調(diào)節(jié)電流，并且電流調(diào)節(jié)具有高度的可配置性。

2. 功能框圖

從功能框圖可以看出，該器件的各個(gè)部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的驅(qū)動和控制。其中，VM為電源輸入，V3P3OUT為3.3V調(diào)節(jié)器輸出，可用于為其他電路供電。

3. 保護(hù)電路

• 過流保護(hù)（OCP）：每個(gè)FET上的模擬電流限制電路可通過移除柵極驅(qū)動來限制通過FET的電流。如果模擬電流限制持續(xù)時(shí)間超過OCP時(shí)間，H橋中的所有FET將被禁用，nFAULT引腳將拉低。
• 熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)芯片溫度超過安全限制時(shí)，H橋中的所有FET將被禁用，nFAULT引腳將拉低。當(dāng)芯片溫度降至安全水平時(shí)，操作將自動恢復(fù)。
• 欠壓鎖定（UVLO）：如果VM引腳的電壓低于欠壓鎖定閾值電壓，設(shè)備中的所有電路將被禁用，內(nèi)部邏輯將復(fù)位。當(dāng)VM電壓上升到UVLO閾值以上時(shí)，操作將恢復(fù)。

4. 設(shè)備功能模式

• 橋控制：xPHASE輸入引腳控制每個(gè)H橋中電流的流動方向，xENBL輸入引腳在高電平時(shí)使能H橋輸出。
• 電流調(diào)節(jié)：通過固定頻率的PWM電流調(diào)節(jié)或電流斬波來調(diào)節(jié)電機(jī)繞組中的電流。當(dāng)H橋啟用時(shí)，電流將根據(jù)繞組的直流電壓和電感以一定速率上升。一旦電流達(dá)到電流斬波閾值，橋?qū)⒔秒娏鳎钡较乱粋€(gè)PWM周期開始。
• 衰減模式：支持快速衰減、慢速衰減和混合衰減三種模式。通過DECAY引腳的狀態(tài)來選擇不同的衰減模式，邏輯低選擇慢速衰減，開路選擇混合衰減操作，邏輯高設(shè)置快速衰減模式。
• 消隱時(shí)間：在H橋中啟用電流后，xISEN引腳的電壓在固定時(shí)間內(nèi)將被忽略，以確保電流檢測電路的準(zhǔn)確性。
• nRESET和nSLEEP操作：nRESET引腳在低電平時(shí)復(fù)位內(nèi)部邏輯并禁用H橋驅(qū)動器；nSLEEP引腳在低電平時(shí)將設(shè)備置于低功耗睡眠狀態(tài)，在高電平時(shí)恢復(fù)正常操作。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用

DRV8813可用于控制雙極步進(jìn)電機(jī)，通過PHASE/ENBL接口控制輸出，并利用內(nèi)部電流調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)電流控制。內(nèi)部保護(hù)電路和nFAULT引腳提供了詳細(xì)的故障報(bào)告功能。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 電流調(diào)節(jié)：在步進(jìn)電機(jī)中，設(shè)定的滿量程電流（IFS）取決于xVREF模擬電壓和感測電阻值（RSENSE）。通過公式 (I{FS}(A)=frac{xVREF(V)}{A{v} × R{SENSE }(Omega)}=frac{xVREF(V)}{5 × R{SENSE }(Omega)}) 可以計(jì)算出滿量程電流。
• 衰減模式：支持三種不同的衰減模式，在電機(jī)繞組電流達(dá)到電流斬波閾值后，DRV8813將繞組置于其中一種衰減模式，直到PWM周期結(jié)束。
• 感測電阻：為了獲得最佳性能，感測電阻應(yīng)具備表面貼裝、低電感、高功率額定值等特點(diǎn)，并應(yīng)靠近電機(jī)驅(qū)動器放置。

五、電源供應(yīng)建議

1. 大容量電容

大容量電容的大小是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素，它取決于多種因素，如電源類型、可接受的電源電壓紋波、電源布線中的寄生電感、電機(jī)類型、電機(jī)啟動電流和電機(jī)制動方法等。

2. 電源和邏輯時(shí)序

DRV8813的上電沒有特定的順序，數(shù)字輸入信號可以在VMx施加之前存在。在VMx施加到DRV8813后，設(shè)備將根據(jù)控制引腳的狀態(tài)開始運(yùn)行。

六、布局要點(diǎn)

1. 布局指南

• VMA和VMB引腳應(yīng)使用低ESR陶瓷旁路電容旁路到GND，并盡可能靠近引腳放置。
• CPL和CPH引腳之間應(yīng)放置一個(gè)低ESR陶瓷電容。
• VMA和VCP引腳之間應(yīng)放置一個(gè)低ESR陶瓷電容和一個(gè)1MΩ電阻。
• V3P3應(yīng)使用陶瓷電容旁路到GND。

2. 熱考慮

DRV8813具備熱關(guān)斷保護(hù)功能，如果芯片溫度超過約150°C，設(shè)備將被禁用，直到溫度降至安全水平。為了確保設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)提供足夠的散熱措施，如使用散熱片或增加銅面積。

3. 功耗估算

DRV8813的功耗主要由輸出FET電阻（RDS(ON)）決定。在運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)時(shí)，總功耗可以通過公式 (P{TOT}=4 × R{DS(ON)} × I_{OUT(RMS)}^2) 進(jìn)行估算。

七、總結(jié)

DRV8813是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的雙橋電機(jī)控制器IC，它具有寬電壓范圍、高電流驅(qū)動能力、多種衰減模式和完善的保護(hù)功能等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求，合理選擇電源、布局和散熱方案，以充分發(fā)揮DRV8813的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

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