DRV8870概述

DRV8870是一款由德州儀器（Texas Instruments, TI）生產(chǎn)的集成MOSFET驅(qū)動(dòng)器，主要用于驅(qū)動(dòng)直流（DC）有刷電機(jī)、螺線管或其它感性負(fù)載。它采用H橋配置，可以支持正向、反向和制動(dòng)控制，具有小巧的封裝和較低的外部元件需求。DRV8870因其易用性、高效率和內(nèi)置的保護(hù)功能而受到廣泛歡迎，在各種消費(fèi)電子、工業(yè)控制和汽車應(yīng)用中都有其身影。

DRV8870主要特性

• 寬電源電壓范圍： 通常支持6.5V到45V的電機(jī)電源電壓，使其適用于多種電機(jī)。

• 高輸出電流能力： 能夠提供高達(dá)3.6A的峰值電流和2A的RMS（均方根）電流，足以驅(qū)動(dòng)中小型直流電機(jī)。

• H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器： 集成了N溝道功率MOSFET，形成一個(gè)完整的H橋，可控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。

• 電流調(diào)節(jié)/限制： 內(nèi)置電流感應(yīng)和調(diào)節(jié)功能，允許用戶設(shè)置最大輸出電流，從而保護(hù)電機(jī)和電源。這通過外部電阻R_ISENSE實(shí)現(xiàn)。

• PWM控制接口： 支持脈寬調(diào)制（PWM）輸入，方便精確控制電機(jī)速度和方向。

• 全面的保護(hù)功能： 包括：

• 過流保護(hù)（OCP）： 當(dāng)輸出電流超過設(shè)定限制時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，防止器件損壞。

• 熱關(guān)斷（TSD）： 當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)禁用輸出，防止過熱損壞。

• 欠壓鎖定（UVLO）： 當(dāng)電源電壓低于最小操作閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)保持禁用狀態(tài)，確保穩(wěn)定操作。

• 故障輸出引腳（nFAULT）： 提供一個(gè)開漏輸出，指示器件的故障狀態(tài)（如過流、過熱或欠壓）。

• 低功耗睡眠模式： 可以將器件置于低功耗模式，降低待機(jī)電流消耗。

• 緊湊型封裝： 通常采用HSOP或HTSSOP封裝，有助于節(jié)省PCB空間。

DRV8870引腳功能

以下是DRV8870常見封裝（如HSOP-8）的引腳功能描述：

• VM（Pin 1）： 電機(jī)電源輸入。連接到為電機(jī)供電的電壓源。

• GND（Pin 2, 3, 6, 7）： 接地。這些引腳是內(nèi)部MOSFET的源極和控制邏輯的公共參考點(diǎn)。正確連接所有GND引腳對(duì)于良好的散熱和性能至關(guān)重要。

• OUT1（Pin 8）： H橋輸出1。連接到電機(jī)的一個(gè)端子。

• OUT2（Pin 5）： H橋輸出2。連接到電機(jī)的另一個(gè)端子。

• IN1（Pin 4）： 邏輯輸入1。與IN2配合控制H橋的開關(guān)狀態(tài)。

• IN2（Pin 9）： 邏輯輸入2。與IN1配合控制H橋的開關(guān)狀態(tài)。

• nFAULT（Pin 10）： 故障輸出。開漏輸出，在發(fā)生故障（過流、過熱、欠壓）時(shí)被拉低。通常需要上拉電阻。

• ISENSE（Pin 11）： 電流感應(yīng)輸入。連接到外部電流感應(yīng)電阻（R_ISENSE）的一端。

• R_ISENSE（外部元件）： 電流感應(yīng)電阻。連接在ISENSE引腳和GND之間。用于設(shè)置電流限制。

DRV8870基本電路圖

DRV8870的基本應(yīng)用電路相對(duì)簡單，主要包括以下幾個(gè)部分：

1. 電源連接：

• VM： 連接到直流電機(jī)電源。通常需要一個(gè)大容量的旁路電容（如100μF或更大）靠近VM引腳放置，以平滑電源紋波并提供瞬態(tài)電流。

• VCC（如果適用，DRV8870通常直接由VM供電）： 有些DRV8870版本或相關(guān)芯片可能有一個(gè)獨(dú)立的邏輯電源VCC，但DRV8870內(nèi)部集成了穩(wěn)壓器，直接從VM獲取電源用于內(nèi)部邏輯。

• GND： 所有GND引腳（包括散熱焊盤）都應(yīng)連接到系統(tǒng)地。

2. 輸入控制：

• IN1 和 IN2： 這些引腳連接到微控制器（MCU）的GPIO或其他邏輯源。通過改變IN1和IN2的邏輯狀態(tài)來控制電機(jī)的方向和速度。

• 邏輯輸入旁路電容： 建議在邏輯輸入引腳附近放置小容量的去耦電容（如0.1μF），以濾除高頻噪聲。

3. 輸出連接：

• OUT1 和 OUT2： 直接連接到直流電機(jī)的兩個(gè)端子。

4. 電流感應(yīng)與限制：

• R_ISENSE： 一個(gè)精密電阻，連接在ISENSE引腳和GND之間。這個(gè)電阻的值決定了電流限制閾值。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式，ITRIP=RISENSEVTRIP，其中$V_{TRIP}$是內(nèi)部參考電壓（通常為250mV）。通過選擇合適的R_ISENSE，可以限制流經(jīng)電機(jī)的最大電流。

5. 故障指示：

• nFAULT： 這是一個(gè)開漏輸出，需要一個(gè)外部上拉電阻連接到邏輯電源（例如3.3V或5V）。當(dāng)芯片檢測到過流、過熱或欠壓時(shí)，nFAULT引腳會(huì)被拉低，微控制器可以通過檢測nFAULT的狀態(tài)來判斷是否發(fā)生故障。

DRV8870工作模式與邏輯表

DRV8870通過IN1和IN2引腳的邏輯組合來控制H橋，實(shí)現(xiàn)不同的工作模式：

• 正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)： 當(dāng)IN1和IN2一個(gè)是高電平，另一個(gè)是低電平時(shí)，H橋的兩條對(duì)角線上的MOSFET導(dǎo)通，電流流過電機(jī)，使其旋轉(zhuǎn)。

• 快速停止（Fast Decay）/制動(dòng)： 當(dāng)IN1和IN2都為低電平時(shí)，H橋的所有低側(cè)MOSFET導(dǎo)通（或者說OUT1和OUT2都被拉低到GND），電機(jī)兩端短路，產(chǎn)生快速制動(dòng)效果。

• 慢速停止（Slow Decay）/制動(dòng)： 當(dāng)IN1和IN2都為高電平時(shí)，H橋的所有高側(cè)MOSFET導(dǎo)通（或者說OUT1和OUT2都被拉高到VM），電機(jī)兩端短路到電源，也產(chǎn)生制動(dòng)效果，但通常比快速停止慢。在某些應(yīng)用中，慢速衰減可以提供更平滑的制動(dòng)。

通過對(duì)IN1和IN2施加PWM信號(hào)，可以精確控制電機(jī)的平均電壓，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。例如，如果將IN1設(shè)為高電平，IN2施加PWM信號(hào)，則可以實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的PWM調(diào)速。

DRV8870的應(yīng)用考量與設(shè)計(jì)技巧

盡管DRV8870易于使用，但在實(shí)際應(yīng)用中仍需考慮以下幾點(diǎn)以確保最佳性能和可靠性：

1. 散熱：

• DRV8870是一款功率驅(qū)動(dòng)器，在大電流工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量。HSOP或HTSSOP封裝底部通常有一個(gè)大的散熱焊盤（Exposed Pad），這個(gè)焊盤必須良好地連接到PCB上的大面積銅平面，以有效地將熱量散發(fā)出去。 在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)使用多個(gè)過孔將散熱焊盤連接到內(nèi)部或背面的地平面，以最大化散熱能力。

• 根據(jù)預(yù)期的電機(jī)電流和環(huán)境溫度，可能需要額外的散熱措施，如增大銅面積或使用散熱片（盡管對(duì)于DRV8870通常PCB散熱就足夠）。

2. 電源去耦：

• 在VM引腳附近放置一個(gè)大容量的電解電容（例如47μF到220μF），用于濾除電源噪聲并提供電機(jī)瞬態(tài)電流。這個(gè)電容應(yīng)盡可能靠近VM引腳放置。

• 在VM引腳附近放置一個(gè)小容量的陶瓷電容（例如0.1μF），用于濾除高頻噪聲。

3. 電流限制電阻R_ISENSE的選擇：

• 仔細(xì)計(jì)算所需的電流限制值。選擇合適的R_ISENSE電阻，并確保其功率額定值能夠承受預(yù)期的功耗。電流感應(yīng)電阻上的功耗為P=I2×RISENSE。

• 該電阻應(yīng)是非感性電阻，以確保精確的電流感應(yīng)。

4. nFAULT輸出：

• nFAULT引腳是一個(gè)開漏輸出，必須連接一個(gè)上拉電阻到邏輯電源（如3.3V或5V）。電阻值通常在4.7kΩ到10kΩ之間。

• 在微控制器中監(jiān)測nFAULT的狀態(tài)，以便在發(fā)生故障時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，例如停止電機(jī)、記錄故障或通知用戶。

5. 電機(jī)選擇與保護(hù)：

• 確保所選電機(jī)的額定電流和啟動(dòng)電流在DRV8870的能力范圍內(nèi)。

• 如果電機(jī)在突然停止時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢，可能需要在電機(jī)兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，盡管DRV8870的內(nèi)部MOSFET通常具有體二極管。但對(duì)于某些高感性負(fù)載，外部續(xù)流二極管可以提供額外保護(hù)。

6. PCB布局：

• 電源路徑： 將電源輸入（VM和GND）以及輸出（OUT1和OUT2）的走線設(shè)計(jì)得盡可能短而寬，以減小寄生電阻和電感，從而降低壓降和熱量。

• 信號(hào)路徑： 邏輯輸入（IN1、IN2）和nFAULT走線可以相對(duì)較細(xì)。

• 地平面： 使用一個(gè)堅(jiān)實(shí)的地平面對(duì)于降低噪聲和提供良好散熱至關(guān)重要。

• 噪聲敏感區(qū)域： 將敏感的模擬信號(hào)（如ISENSE）與大電流路徑分開。

7. 微控制器接口：

• 確保微控制器的I/O電壓與DRV8870的邏輯輸入電壓兼容。DRV8870的邏輯輸入通常具有寬電壓兼容性，但仍需查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)確認(rèn)。

• 在初始化時(shí)，確保DRV8870的輸入引腳處于確定狀態(tài)，避免浮空導(dǎo)致電機(jī)意外動(dòng)作。

高級(jí)應(yīng)用與考慮

1. PWM頻率：

• DRV8870支持寬范圍的PWM頻率。選擇合適的PWM頻率對(duì)于電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行和減小噪聲很重要。過低的PWM頻率可能導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)或發(fā)出 audible 噪聲；過高的PWM頻率則會(huì)增加開關(guān)損耗。通常，PWM頻率在10kHz到100kHz之間是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。

2. 睡眠模式：

• 如果您的應(yīng)用需要低功耗待機(jī)模式，可以通過將所有輸入引腳（IN1, IN2）置為低電平（或根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)指定的方式）來使DRV8870進(jìn)入睡眠模式。這會(huì)顯著降低芯片的靜態(tài)電流消耗。

3. 故障處理：

• 故障清除： 一旦nFAULT被拉低，通常需要清除故障才能恢復(fù)正常操作。這通常通過將IN1和IN2都設(shè)置為低電平（快速停止模式）或通過禁用（拉低SLEEP引腳，如果存在）并重新啟用DRV8870來完成。具體方法請(qǐng)參考數(shù)據(jù)手冊(cè)。

• 故障診斷： 記錄故障類型可以幫助調(diào)試。雖然DRV8870的nFAULT只有一個(gè)引腳，無法直接區(qū)分過流、過熱或欠壓，但在實(shí)際系統(tǒng)中，可以通過監(jiān)測電源電壓、外部溫度傳感器或嘗試在特定條件下重新啟動(dòng)來輔助診斷。

4. 與傳感器的集成：

• 在機(jī)器人或自動(dòng)化應(yīng)用中，DRV8870通常與位置編碼器或其他傳感器配合使用，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。微控制器根據(jù)傳感器反饋來調(diào)整PWM占空比，以實(shí)現(xiàn)精確的速度和位置控制。

5. 多個(gè)DRV8870驅(qū)動(dòng)器：

• 如果需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)，可以為每個(gè)電機(jī)使用一個(gè)DRV8870。在這種情況下，確保每個(gè)DRV8870的電源去耦和散熱都得到妥善處理，并且所有nFAULT引腳都可以獨(dú)立或通過邏輯OR門連接到微控制器。

總結(jié)

DRV8870是一款功能強(qiáng)大、易于使用的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其內(nèi)置的H橋、電流限制和全面的保護(hù)功能使其成為許多電機(jī)控制應(yīng)用的理想選擇。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，關(guān)鍵在于正確理解其引腳功能、電源去耦、散熱需求以及電流限制的配置。通過仔細(xì)的PCB布局和合理的軟件控制策略，可以充分發(fā)揮DRV8870的性能，構(gòu)建出穩(wěn)定可靠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。雖然本文無法提供完整的8000-20000字詳盡介紹，但希望這些詳細(xì)的概述和應(yīng)用技巧能為您理解和使用DRV8870提供有價(jià)值的參考。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，務(wù)必查閱德州儀器官方的DRV8870數(shù)據(jù)手冊(cè)，以獲取最準(zhǔn)確和最詳細(xì)的技術(shù)信息。