DRV8843雙H橋驅動器：功能特性與應用設計詳解

在電子工程師的日常設計工作中，電機驅動模塊的選擇至關重要。今天我們要詳細探討的是德州儀器（TI）推出的DRV8843雙H橋驅動器，它能為打印機、掃描儀及其他自動化設備應用提供集成化的電機驅動解決方案。

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一、關鍵特性剖析

1. 多類型電機驅動能力

DRV8843具備驅動單/雙有刷直流電機以及步進電機的能力，這種多功能性使得它在不同的電機控制場景中都能大顯身手。

2. 靈活的控制與電流調節

采用IN/IN控制接口，并具備可選的固定頻率電流調節功能。通過兩位電流控制，它最多可實現四個電流級別，為電機驅動提供了更精細的控制。

3. 低導通電阻與高電流驅動

MOSFET的導通電阻較低，在24V且環境溫度為25°C的條件下，最大驅動電流可達2.5A，高側和低側的組合導通電阻 (R_{DS(ON)}) 為400mΩ，能滿足大多數電機的驅動需求。

4. 寬工作電壓范圍與低功耗模式

工作電源電壓范圍為8.2V至45V，適應多種電源環境。同時還具備低電流睡眠模式，可有效降低系統功耗。

5. 內置參考輸出與散熱封裝

內置3.3V參考輸出，方便為其他電路提供穩定的參考電壓。采用熱增強型表面貼裝封裝，有助于提高散熱性能，保證設備的穩定性。

6. 全面的保護功能

具備過流保護（OCP）、熱關斷（TSD）、欠壓鎖定（UVLO）等保護功能，并通過故障指示引腳（nFAULT）及時反饋故障狀態，增強了設備的可靠性。

二、應用領域廣泛

DRV8843的應用場景十分豐富，涵蓋了打印機、掃描儀、辦公自動化設備、游戲機、工廠自動化以及機器人等領域。在這些應用中，它能憑借自身的特性為電機提供穩定可靠的驅動。

三、詳細功能解讀

1. 整體架構概述

DRV8843集成了兩個功率NMOS H橋、電流檢測與調節電路、保護裝置以及數字接口。通過簡單的PWM接口，可輕松與外部數字控制器連接，且占用資源少。故障指示引腳（nFAULT）能實時反饋設備的故障狀態。

2. 功能模式分析

• 橋控制模式：AIN1和AIN2輸入引腳直接控制AOUT1和AOUT2輸出狀態，BIN1和BIN2輸入引腳控制BOUT1和BOUT2輸出狀態。輸入引腳還可用于電機速度的PWM控制，H橋在電流中斷時可工作在快速衰減或慢速衰減模式，以處理電機的續流電流。
• 電流調節模式：通過固定頻率的PWM電流調節來控制電機繞組中的電流。當電流達到斬波閾值時，橋會關閉電流，直到下一個PWM周期開始。此功能可用于步進電機的微步控制和直流電機的啟動與堵轉電流限制，且可通過兩個輸入引腳調節每個橋的電流。
• 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引腳進行選擇。混合衰減模式在PWM周期的75%時從快速衰減切換到慢速衰減。
• 消隱時間機制：在H橋啟動電流后，xISEN引腳的電壓在固定的3.75μs消隱時間內會被忽略，以避免雜訊干擾電流檢測。
• 復位與睡眠操作：nRESET引腳低電平有效時，可復位內部邏輯并禁用H橋驅動器；nSLEEP引腳低電平可使設備進入低功耗睡眠狀態，喚醒后需約1ms恢復正常工作。

  3. 保護電路作用

• 過流保護（OCP）：每個FET上的模擬電流限制電路可通過移除柵極驅動來限制電流。若過流情況持續超過OCP時間，H橋中的所有FET將被禁用，nFAULT引腳置低，直到復位或重新上電。
• 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，nFAULT引腳置低，溫度降至安全水平后自動恢復工作。
• 欠壓鎖定（UVLO）：若VM引腳電壓低于欠壓鎖定閾值，設備所有電路將被禁用，內部邏輯復位，電壓恢復正常后重新啟動。

四、應用設計要點

1. 典型應用電路

以控制雙有刷直流電機為例，設計時需考慮電源電壓、電機繞組電阻和電感、檢測電阻值以及目標滿量程電流等參數。通過合理設置xVREF電壓和檢測電阻值，可實現所需的電流調節。

2. 電源設計建議

• 大容量電容選擇：大容量電容的大小對電機驅動系統設計至關重要，需綜合考慮電源類型、允許的電源電壓紋波、電源布線中的寄生電感、電機類型、電機啟動電流和制動方法等因素。一般數據手冊會提供推薦值，但需進行系統級測試來確定合適的電容大小。
• 電源和邏輯時序：DRV8843上電無特定順序，數字輸入信號可在VMx施加前存在，施加VMx后，設備根據控制引腳狀態開始工作。

  3. PCB布局指南

• 旁路電容放置：VMA和VMB引腳需使用低ESR陶瓷旁路電容旁路到GND，電容應盡量靠近引腳，并通過厚走線或接地平面連接到設備GND引腳。同時，還需使用合適的大容量電容進行旁路。
• 其他電容和電阻布局：CPL和CPH引腳之間、VMA和VCP引腳之間需放置低ESR陶瓷電容，VCP和VMA之間還需放置1MΩ電阻。V3P3引腳需通過陶瓷電容旁路到地。

  4. 散熱考慮因素

• 熱保護機制：DRV8843具備熱關斷功能，當芯片溫度超過約150°C時，設備將被禁用，直到溫度下降。若設備頻繁進入熱關斷狀態，可能意味著功耗過大、散熱不足或環境溫度過高。
• 功率耗散計算：設備的功率耗散主要由輸出FET的導通電阻決定，可通過公式 (P = 2 × R{DS(ON)} × (I{OUT})^{2}) 估算每個H橋的平均功率耗散。
• 散熱設計方法：采用PowerPAD?封裝，通過將暴露的焊盤與PCB上的銅連接來散熱。多層PCB可通過添加過孔將熱焊盤連接到接地平面；無內部平面的PCB可在兩側添加銅面積，若銅面積在PCB另一側，需使用熱過孔進行熱量傳遞。

五、總結

DRV8843雙H橋驅動器憑借其豐富的功能特性、廣泛的應用領域以及完善的保護機制，為電子工程師在電機驅動設計中提供了一個可靠的選擇。在實際應用中，工程師需要根據具體需求合理選擇參數、優化布局和散熱設計，以充分發揮DRV8843的性能優勢。你在使用類似電機驅動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區留言分享。