德州儀器DRV8814：高效直流電機驅動的理想之選

在電子工程師的日常工作中，電機驅動設計是一個常見且關鍵的任務。今天，我們要深入探討的是德州儀器（TI）公司推出的 DRV8814 直流電機驅動集成電路，它為打印機、掃描儀和其他自動化設備應用提供了集成化的電機驅動解決方案。

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1. 產品特性

1.1 供電與電流能力強大

DRV8814 的工作電源電壓范圍為 8 V 至 45 V，能夠適應不同的供電環境。在 24 V 電壓和 (T_{A} = 25°C) 的條件下，它能提供高達 2.5 A 的最大驅動電流，為電機提供充足的動力。

1.2 雙 H 橋電流控制

這款芯片集成了雙 H 橋電流控制電機驅動器，可以驅動兩個直流電機。具備四個等級的繞組電流控制功能，能夠根據實際需求精確調節電機電流。

1.3 多衰減模式

支持慢衰減和快衰減兩種模式。慢衰減模式可實現電機制動，快速停止電機運轉；快衰減模式則讓電機能夠滑行，適用于不同的應用場景。

1.4 標準數字控制接口

采用行業標準的并行數字控制接口，方便與各種控制器進行連接，降低了系統設計的復雜度。

1.5 低功耗睡眠模式

內置低電流睡眠模式，當系統不驅動電機時，可以讓芯片進入低功耗狀態，節省電能。

1.6 集成參考輸出

提供內置 3.3-V 參考輸出，可用于為其他電路提供穩定的參考電壓。

1.7 緊湊封裝與保護功能

采用小封裝和小尺寸布局，節省 PCB 空間。同時具備過流保護（OCP）、熱關斷（TSD）、VM 欠壓鎖定（UVLO）以及故障狀態指示引腳（nFAULT）等保護功能，確保芯片在各種異常情況下的安全性和可靠性。

2. 應用場景

DRV8814 的應用十分廣泛，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，DRV8814 能夠穩定、高效地驅動直流電機，為設備的正常運行提供保障。

3. 產品描述

3.1 硬件結構

DRV8814 內部集成了兩個 H 橋驅動器，每個輸出驅動器模塊由 N 溝道功率 MOSFET 配置成 H 橋，用于驅動電機繞組。在 24 V 和 25°C 的條件下，每個 H 橋可提供高達 2.5-A 峰值或 1.75-A RMS 輸出電流（需適當散熱）。

3.2 控制接口與功能

采用簡單的并行數字控制接口，與行業標準設備兼容。衰減模式可編程，可實現電機在禁用時的制動或滑行。同時，內部設有過流保護、短路保護、欠壓鎖定和過溫保護等關機功能，確保芯片的安全運行。

4. 引腳配置與功能

DRV8814 采用 28 引腳 HTSSOP 封裝（帶 PowerPAD?），其引腳功能豐富多樣，可分為電源與接地、控制、狀態和輸出等幾類，具體介紹如下。

4.1 電源與接地引腳

• GND：設備接地引腳。
• VMA 和 VMB：分別為橋 A 和橋 B 的電源引腳，需連接到電機電源（8 V 至 45 V），并通過 0.1-μF 電容旁路到 GND，同時連接到適當的大容量電容。
• V3P3OUT：3.3-V 穩壓器輸出引腳，需通過 0.47-μF 6.3-V 陶瓷電容旁路到 GND，可用于為 VREF 供電。
• CP1 和 CP2：電荷泵飛電容引腳，需在兩者之間連接一個 0.01-μF 50-V 電容。
• VCP：高端柵極驅動電壓引腳，需連接一個 0.1-μF 16-V 陶瓷電容和一個 1-MΩ 電阻到 VM。

  4.2 控制引腳

• AENBL 和 BENBL：分別用于啟用橋 A 和橋 B，邏輯高電平有效。
• APHASE 和 BPHASE：分別控制橋 A 和橋 B 的相位（方向），邏輯高電平可設置輸出的高低電平。
• AI0、AI1、BI0 和 BI1：用于設置橋 A 和橋 B 的電流，可實現 100%、71%、38% 和 0 的電流設置。
• DECAY：衰減（制動）模式引腳，低電平為制動（慢衰減），高電平為滑行（快衰減）。
• nRESET：復位輸入引腳，低電平有效，可初始化內部邏輯并禁用 H 橋輸出。
• nSLEEP：睡眠模式輸入引腳，邏輯高電平啟用設備，邏輯低電平進入低功耗睡眠模式。
• AVREF 和 BVREF：分別為橋 A 和橋 B 的電流設置參考輸入引腳，可通過外部 DAC 或連接到參考電壓（如 V3P3OUT）實現微步進控制。

  4.3 狀態引腳

• nFAULT：故障指示引腳，開漏輸出，當出現過溫、過流等故障情況時輸出邏輯低電平。

  4.4 輸出引腳

• ISENA 和 ISENB：分別為橋 A 和橋 B 的接地/電流檢測引腳，需連接到電流檢測電阻。
• AOUT1、AOUT2、BOUT1 和 BOUT2：分別為橋 A 和橋 B 的輸出引腳，需連接到電機繞組。

5. 規格參數

5.1 絕對最大額定值

• 電源電壓范圍：(VMx) 為 –0.3 V 至 47 V。
• 電源斜坡速率：(VMx) 最大為 1 V/μs。
• 數字引腳電壓范圍：–0.5 V 至 7 V。
• 輸入電壓 (V_{REF})：–0.3 V 至 4 V。
• (ISENSEx) 引腳電壓：–0.8 V 至 0.8 V。
• 峰值電機驅動輸出電流（(t < 1 μS)）：內部限制。
• 連續電機驅動輸出電流：最大 2.5 A。
• 連續總功率耗散：需參考熱信息。
• 工作虛擬結溫范圍：(T_{J}) 為 –40°C 至 150°C。
• 工作環境溫度范圍：(T_{A}) 為 –40°C 至 85°C。
• 存儲溫度：(T_{STG}) 為 –60°C 至 150°C。

  5.2 ESD 額定值

• 人體模型（HBM）：±2000 V。
• 充電設備模型（CDM）：±500 V。

  5.3 推薦工作條件

• 電機電源電壓范圍 (V_{M})：8 V 至 45 V。
• (V_{REF}) 輸入電壓：1 V 至 3.5 V。
• (V3P3OUT) 負載電流 (I_{V3P3})：最大 1 mA。
• 外部施加的 PWM 頻率 (f_{PWM})：最大 100 kHz。

  5.4 熱信息

  芯片的熱性能指標包括結到環境熱阻 (R{θJA}) 為 31.6°C/W、結到外殼（頂部）熱阻 (R{θJC(top)}) 為 15.9°C/W 等，這些指標對于評估芯片的散熱情況至關重要。

  5.5 電氣特性

  涵蓋了電源、穩壓器、邏輯電平輸入、輸出、衰減輸入、H 橋 FET、電機驅動器、保護電路和電流控制等方面的參數，如 (VM) 工作電源電流 (I{VM}) 在 (V{M} = 24 V) 和 (f_{PWM} = 50 kHz) 時典型值為 5 mA 等。

6. 詳細描述

6.1 概述

DRV8814 專為兩個有刷直流電機設計，集成了兩個 NMOS H 橋、電流檢測、調節電路和詳細的故障檢測功能。通過 PHASE/ENBL 接口可方便地與控制器電路連接，繞組電流控制可讓外部控制器調節提供給電機的電流。同時，具備兩種衰減模式，可根據應用需求進行選擇，還支持低功耗睡眠模式。

6.2 功能框圖

從功能框圖中可以看到，芯片內部包括電荷泵、內部參考和調節器、HS 柵極驅動、LS 柵極驅動等模塊，各模塊協同工作，實現電機的驅動和控制。

6.3 特性描述

• PWM 電機驅動器：包含兩個帶電流控制 PWM 電路的 H 橋電機驅動器，所有 VM 引腳需連接到電機電源電壓。
• 橋控制：通過 xPHASE 輸入引腳控制每個 H 橋的電流流向，從而控制電機的旋轉方向；xENBL 輸入引腳在高電平時啟用 H 橋輸出，可用于電機的 PWM 速度控制。DECAY 引腳可選擇橋在 (xENBL = 0) 時的行為，實現慢衰減（制動）或快衰減（滑行）。
• 電流調節：通過固定頻率的 PWM 電流調節來限制電機繞組的最大電流。當 H 橋啟用時，電流會根據繞組的直流電壓和電感上升，達到電流斬波閾值后，橋會禁用電流直到下一個 PWM 周期開始?？赏ㄟ^連接 xISENSE 引腳到地并將 xVREF 引腳連接到 V3P3 來禁用電流調節功能。PWM 斬波電流由比較器根據電流檢測電阻上的電壓和參考電壓進行設置，參考電壓通過 xVREF 引腳輸入，并可通過 2 位 DAC 進行 100%、71%、38% 和 0 的電流設置。
• 衰減模式和制動：在 PWM 電流斬波期間，H 橋驅動電流通過電機繞組，達到斬波電流閾值后，可進入快衰減或慢衰減模式?？焖p模式下，H 橋反轉狀態使繞組電流反向流動；慢衰減模式下，通過啟用橋中的兩個低側 FET 使繞組電流再循環。DECAY 引腳的狀態決定了衰減模式，同時也影響橋在禁用時的操作，高電平（快衰減）可使電機滑行停止，低電平（慢衰減）可使電機快速制動。
• 消隱時間：在 H 橋啟用電流后，xISEN 引腳的電壓在 3.75 μs 的固定時間內被忽略，此消隱時間也設置了 PWM 的最小導通時間。
• nRESET 和 nSLEEP 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，在此狀態下 H 橋禁用、柵極驅動電荷泵停止、V3P3OUT 穩壓器禁用、內部時鐘停止，從睡眠模式返回時，電機驅動器需要約 1 ms 才能完全恢復正常工作。
• 保護電路：具備過流保護（OCP）、熱關斷（TSD）和欠壓鎖定（UVLO）功能。過流保護通過模擬電流限制電路限制 FET 電流，持續過流會禁用 H 橋并使 nFAULT 引腳輸出低電平，需重新設置 nRESET 引腳或重新施加 VM 電源才能恢復工作；熱關斷在芯片溫度超過安全限制時禁用 H 橋并使 nFAULT 引腳輸出低電平，溫度下降到安全水平后自動恢復工作；欠壓鎖定在 VM 引腳電壓低于閾值時禁用設備內部電路并復位內部邏輯，VM 電壓上升到閾值以上時恢復工作。

7. 應用與實現

7.1 應用信息

DRV8814 可用于控制兩個有刷直流電機，通過 PHASE/ENBL 接口控制輸出，利用內部電流調節電路實現電流控制，并通過內部保護電路和 nFAULT 引腳提供詳細的故障報告。

7.2 典型應用示例

典型應用電路中，需要連接多個電容和電阻等外部元件。設計時需考慮電源電壓、電機繞組電阻、電感、檢測電阻值和目標滿量程電流等參數。例如，在設計雙有刷直流電機驅動系統時，電源電壓 (V{M}) 可選擇 24 V，電機繞組電阻 (R{L}) 為 3.9 Ω 等。

7.3 詳細設計步驟

• 電流調節：通過公式 (I{FS}(A)=frac{xVREF(V)}{A{v} × R{SENSE }(Omega)}=frac{xVREF(V)}{5 × R{SENSE }(Omega)}) 計算滿量程電流，其中 (A{v}) 為 DRV8814 的增益（5 V/V）。若要實現 (I{FS} = 1.25 A)，檢測電阻 (R_{SENSE}) 為 0.2 Ω，則 xVREF 應為 1.25 V。
• 衰減模式：支持慢衰減和快衰減兩種模式，通過固定頻率的 PWM 方案調節電機繞組電流。當電機繞組電流達到斬波閾值后，芯片會將繞組置于相應的衰減模式，直到 PWM 周期結束。消隱時間 (t{BLANK}) 定義了電流斬波的最小驅動時間，在此期間 (I{TRIP}) 被忽略，繞組電流可能會超過閾值。
• 檢測電阻：檢測電阻的功率耗散為 (I_{rms}^{2} × R)，如 rms 電機電流為 2 A，使用 100-mΩ 檢測電阻時，電阻耗散功率為 0.4 W。為了降低功耗和成本，可使用多個標準電阻并聯的方式。

8. 電源供應建議

8.1 大容量電容

DRV8814 設計工作在 8 V 至 45 V 的輸入電壓范圍內，需在 VMA 和 VMB 引腳附近分別放置兩個 0.1-μF 的陶瓷電容進行局部去耦。此外，還需要根據應用需求添加適當的大容量電容，其大小取決于電源類型、可接受的電源電壓紋波、電源布線中的寄生電感、電機類型、電機啟動電流和制動方法等因素。如果局部大容量電容過小，系統可能會因電機的過大電流需求或放電而導致電壓變化，因此需要進行系統級測試來確定合適的電容大小。

8.2 電源和邏輯時序

DRV8814 沒有特定的上電順序，數字輸入信號可以在 VMx 施加之前存在。VMx 施加后，芯片會根據控制引腳的狀態開始工作。

9. 布局設計

9.1 布局指南

• VMA 和 VMB 引腳需通過低 ESR 陶瓷旁路電容（推薦值為 0.1-μF，額定電壓為 VMx）旁路到 GND，電容應盡可能靠近引腳，并使用厚走線或接地平面連接到設備的 GND 引腳。
• 需使用適當的大容量電容將 VMA 和 VMB 引腳旁路到地，可選擇電解電容并將其放置在靠近 DRV8814 的位置。
• 在 CPL 和 CPH 引腳之間放置一個低 ESR 陶瓷電容（推薦值為 0.01-μF，額定電壓為 VMx），并盡可能靠近引腳。
• 在 VMA 和 VCP 引腳之間放置一個低 ESR 陶瓷電容（推薦值為 0.1-μF，額定電壓為 16 V），并靠近引腳，同時在 VCP 和 VMA 之間放置一個 1-MΩ 電阻。
• 使用額定電壓為 6.3 V 的陶瓷電容將 V3P3 旁路到地，并將旁路電容靠近引腳放置。

  9.2 布局示例

  文檔中提供了 DRV8814 的布局示例，展示了電容、電阻等元件的放置位置，為實際設計提供了參考。

  9.3 熱考慮

• 熱保護：DRV8814 具備熱關斷（TSD）功能，當芯片溫度超過約 150°C 時，設備將被禁用，直到溫度下降到安全水平。如果芯片頻繁進入熱關斷狀態，可能意味著存在過度功率耗散、散熱不足或環境溫度過高等問題。
• 功率耗散：芯片的功率耗散主要由輸出 FET 的電阻 (R{DS(ON)}) 決定，可通過公式 (P{TOT } = 4 × R{DS(ON)} timesleft(I{OUT(RMS) }right)^{2}) 大致估算，其中 (I{OUT(RMS)}) 約為滿量程輸出電流設置的 0.7 倍。由于 (R{DS(ON)}) 會隨溫度升高而增加，因此在設計散熱片時需要考慮這一因素。
• 散熱設計：PowerPAD? 封裝采用外露焊盤散熱，需將該焊盤與 PCB 上的銅層進行熱連接。在多層 PCB 上有接地平面時，可通過添加多個過孔將散熱焊盤連接到接地平面；在沒有內部平面的 PCB 上，可在 PCB 兩側添加銅面積來散熱，若銅面積在 PCB 另一側，可使用熱過孔傳遞