DRV8935：工業(yè)應用中的高性能四半橋驅動器

在工業(yè)應用的電機驅動領域，一款性能卓越、功能豐富的驅動器往往能為整個系統(tǒng)帶來顯著的提升。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的 DRV8935 四半橋驅動器，看看它究竟有哪些獨特之處。

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一、產品概述

DRV8935 專為工業(yè)應用設計，集成了四個 2.5 - A 的半 H 橋，支持 4.5 - V 至 33 - V 的寬電源電壓范圍，可驅動多達四個螺線管負載、兩個直流電機、一個步進電機或其他負載。它具有簡單的 PWM 接口，方便與控制器連接，同時具備集成電流感應和調節(jié)功能，能有效控制負載電流。此外，該驅動器還擁有多種保護特性，可在系統(tǒng)出現故障時保護設備安全。

二、關鍵特性

（一）強大的驅動能力

• 多負載驅動：可同時驅動多個不同類型的負載，如螺線管、直流電機和步進電機，為工業(yè)應用提供了多樣化的選擇。
• 寬電壓范圍：4.5 - V 至 33 - V 的工作電源電壓范圍，能適應不同的電源環(huán)境，增強了產品的通用性。
• 低導通電阻：在 24 V、25°C 條件下，低 (R_{DS(ON)}) 為 330 mΩ（HS + LS），可降低功率損耗，提高效率。
• 高驅動電流：在 24 V、25°C 時，最大驅動電流可達 2.5 - A，能滿足大多數負載的驅動需求。

（二）靈活的配置選項

• 可配置關斷時間 PWM 斬波：支持 7、16、24 或 32 μs 的關斷時間選擇，可根據實際應用需求進行靈活配置。
• 多邏輯輸入支持：支持 1.8 - V、3.3 - V、5.0 - V 邏輯輸入，方便與不同的控制器接口。

（三）低功耗與低 EMI 設計

• 低電流睡眠模式：睡眠模式電流僅為 2 μA，可有效降低系統(tǒng)功耗，延長電池續(xù)航時間。
• 擴頻時鐘：采用擴頻時鐘技術，可降低電磁干擾（EMI），提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

（四）全面的保護功能

• 欠壓鎖定（UVLO）：當電源電壓低于閾值時，自動鎖定輸出，防止設備在異常電壓下工作。
• 電荷泵欠壓（CPUV）：監(jiān)測電荷泵電壓，確保高側 N 溝道 MOSFET 柵極驅動電壓正常。
• 過流保護（OCP）：當通過任何 FET 的電流超過設定值時，及時切斷輸出，保護設備免受損壞。
• 熱關斷（OTSD）：當芯片溫度超過閾值時，自動關閉所有 MOSFET，防止過熱損壞。
• 故障輸出指示（nFAULT）：通過 nFAULT 引腳輸出故障信號，方便系統(tǒng)及時檢測和處理故障。

三、應用領域

DRV8935 的應用領域非常廣泛，涵蓋了眾多工業(yè)和消費電子領域，如：

• 冰箱風門和制冰機：精確控制風門的開度和制冰機的運行，提高冰箱的性能和效率。
• 紡織機械：驅動紡織機械中的各種電機，實現精確的運動控制。
• 辦公和家庭自動化：用于自動窗簾、門鎖等設備的驅動，提升生活的便利性。
• 工廠自動化和機器人：為機器人的關節(jié)驅動和工業(yè)自動化生產線中的電機提供穩(wěn)定的驅動動力。
• 洗衣機、烘干機和洗碗機：控制電機的運轉，實現高效的洗滌和烘干功能。
• 游戲機：驅動游戲機中的各種電機，增強游戲的沉浸感。

四、詳細功能解析

（一）橋控制和電流調節(jié)

DRV8935 的 INx 輸入引腳可直接控制 OUTx 輸出的狀態(tài)（高或低）。通過 VREF12 和 VREF34 引腳可分別控制 OUT1、OUT2 和 OUT3、OUT4 的負載電流，ITRIP 電流可通過公式 (I{TRIP }(A)= V{REF}(V) / 1.32 (V/A)) 計算得出。用戶可通過連接電阻分壓器從 DVDD 引腳到地來編程 (V_{REF}) 電壓，實現對負載電流的精確控制。

在實際應用中，對于連接到 VM 電源的負載，當 ITRIP 高于 (VM / R{LOAD}) 時，負載電流將被調節(jié)到 (VM / R{LOAD}) 水平；對于電感負載，需確保每個周期內電流有足夠的衰減，以防止電流失控和觸發(fā)過流保護。

（二）衰減模式

在低側 FET 電流啟用后，電流感應比較器會在一段時間（約 1 μs）內被忽略，以避免誤觸發(fā)。這段時間也設定了 PWM 的最小驅動時間。

（三）電荷泵

集成的電荷泵用于為高側 N 溝道 MOSFET 提供柵極驅動電壓。在 VM 和 VCP 引腳之間需連接一個存儲電容，CPH 和 CPL 引腳之間需連接一個飛跨電容。

（四）線性電壓調節(jié)器

DRV8935 內部集成了線性電壓調節(jié)器，DVDD 調節(jié)器可提供參考電壓，最大可提供 2 mA 的負載電流。為確保正常工作，需使用陶瓷電容將 DVDD 引腳旁路到地。

（五）邏輯和四電平引腳

邏輯電平引腳 IN1、IN2、IN3、IN4 和 nSLEEP 具有特定的輸入結構，四電平邏輯引腳 TOFF 也有其獨特的結構。這些引腳的設計確保了驅動器與外部控制器的穩(wěn)定連接和準確控制。

（六）nFAULT 引腳

nFAULT 引腳為開漏輸出，需上拉至 5 - V、3.3 - V 或 1.8 - V 電源。當檢測到故障時，該引腳將變?yōu)檫壿嫷碗娖剑奖阆到y(tǒng)及時響應。

五、典型應用示例

以驅動四個螺線管負載為例，詳細介紹 DRV8935 的應用設計。

（一）設計要求

（二）詳細設計過程

1. 電流調節(jié)：根據 VREF 引腳電壓控制負載電流，確保每個通道的電流穩(wěn)定在設定值。
2. 功率損耗計算：功率損耗主要包括傳導損耗、開關損耗和靜態(tài)功耗。通過合理的計算和設計，可確保設備在正常工作溫度范圍內運行。
   • 傳導損耗：(P_{COND }=4 times(1.5 - A)^{2} × 0.165 - Omega = 1.485 - W)
   • 開關損耗：(P{SW }=4 timesleft(P{SWRISE }+P{SWFALL }right))，其中 (P{SWRISE }=0.5 × VM × I{OUT } × t{RISE } × f{PWM})，(P_{SWFALL }=0.5 × VM × I{OUT } × t{FALL } × f{PWM})
   • 靜態(tài)功耗：(P{Q}=VM × I{VM}=24 V × 5 mA = 0.12 W)
   • 總功率損耗：(P{TOT }=P{COND }+P{SW }+P{Q}=1.485 - W + 0.576 - W + 0.12 - W = 2.181 - W)
3. 結溫計算：根據功率損耗和熱阻參數，計算設備的結溫。確保結溫在規(guī)定的工作范圍內，以保證設備的可靠性。
   • HTSSOP 封裝：(T_{J}=25^{circ} C+left(2.181 - W × 31^{circ} C / Wright)=92.6^{circ} C)
   • VQFN 封裝：(T_{J}=25^{circ} C+left(2.181 - W × 40.7^{circ} C / Wright)=113.8^{circ} C)

六、電源和布局建議

（一）電源建議

• 每個 VM 引腳需盡可能靠近設備放置一個 0.01 - μF 的 VM 額定陶瓷電容，同時在 VM 上添加一個大容量電容，以提供穩(wěn)定的電源。
• 大容量電容的選擇需考慮多種因素，如電機系統(tǒng)所需的最大電流、電源的電容和供電能力、電源與電機系統(tǒng)之間的寄生電感、可接受的電壓紋波等。

（二）布局建議

• VM 引腳：使用低 ESR 的陶瓷旁路電容（推薦 0.01 μF）將 VM 引腳旁路到 PGND，電容應盡可能靠近 VM 引腳，并使用厚走線或接地平面連接到設備的 PGND 引腳。
• CPL 和 CPH 引腳：在 CPL 和 CPH 引腳之間放置一個低 ESR 的陶瓷電容（推薦 0.022 μF），并盡可能靠近引腳。
• VM 和 VCP 引腳：在 VM 和 VCP 引腳之間放置一個低 ESR 的陶瓷電容（推薦 0.22 μF、16 V），并盡可能靠近引腳。
• DVDD 引腳：使用低 ESR 的陶瓷電容（推薦 0.47 μF、6.3 V）將 DVDD 引腳旁路到地，并盡可能靠近引腳。
• 散熱焊盤：將散熱焊盤連接到系統(tǒng)地，以提高散熱性能。

七、總結

DRV8935 以其強大的驅動能力、靈活的配置選項、全面的保護功能和低功耗設計，成為工業(yè)應用中電機驅動的理想選擇。在實際設計過程中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇外部組件，優(yōu)化電源和布局設計，以充分發(fā)揮 DRV8935 的性能優(yōu)勢。同時，我們也要關注設備的散熱和保護問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助電子工程師們更好地了解和應用 DRV8935 驅動器。你在使用類似驅動器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。