解析 DRV8701 有刷直流電機(jī)全橋柵極驅(qū)動器的特性與應(yīng)用

在電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，各類先進(jìn)的驅(qū)動芯片不斷涌現(xiàn)，為工程師們提供了更多的選擇和設(shè)計思路。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的 DRV8701 有刷直流電機(jī)全橋柵極驅(qū)動器，它在眾多應(yīng)用場景中都展現(xiàn)出了卓越的性能。

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1. 產(chǎn)品概述

DRV8701 是一款單 H 橋柵極驅(qū)動器，利用四個外部 N 溝道 MOSFET 來驅(qū)動 12V 至 24V 的雙向有刷直流電機(jī)。其 5.9V 至 45V 的寬工作電源電壓范圍，使其能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。該芯片提供了 PH/EN（DRV8701E）或 PWM（DRV8701P）兩種控制接口選項，方便與控制器電路進(jìn)行簡單的連接。內(nèi)部集成的檢測放大器可實現(xiàn)可調(diào)電流控制，并且采用固定關(guān)斷時間 PWM 電流斬波技術(shù)來調(diào)節(jié)繞組電流，有效限制電機(jī)的浪涌電流。

同時，芯片具備低功耗睡眠模式，僅消耗 9μA 的電流，通過拉低 nSLEEP 引腳即可開啟該模式。此外，還集成了兩個 LDO 穩(wěn)壓器（AVDD 為 4.8V，最大輸出負(fù)載 30mA；DVDD 為 3.3V，最大輸出負(fù)載 30mA）為外部組件供電。在封裝方面，采用 24 引腳的 VQFN（PowerPAD?）封裝，尺寸為 4.0×4.0×0.9mm，體積小巧，節(jié)省了 PCB 空間。

2. 關(guān)鍵特性詳解

2.1 橋接控制

DRV8701E 通過 PH/EN 接口進(jìn)行控制，DRV8701P 則采用 PWM（IN1/IN2）接口。以驅(qū)動單個有刷直流電機(jī)為例，不同的輸入組合會使 H 橋處于不同的狀態(tài)，如正向驅(qū)動、反向驅(qū)動、制動等。例如，在 DRV8701E 中，當(dāng) nSLEEP 為高電平、EN 為高電平且 PH 為高電平時，電機(jī)實現(xiàn)正向驅(qū)動；當(dāng) PH 為低電平時，則為反向驅(qū)動。這種清晰的邏輯控制方式，讓工程師能夠輕松實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

2.2 半橋操作

DRV8701 還支持半橋操作模式。在這種模式下，只需將 GH1 和 GL1 斷開連接，并從 SH1 連接一個 1/10W、330Ω、5%的電阻到 GND 即可。對于 DRV8701E，通過將 PH 引腳拉低進(jìn)行控制；對于 DRV8701P，同樣有相應(yīng)的控制邏輯。這種靈活的操作模式，為一些特定的應(yīng)用場景提供了更多的可能性。

2.3 電流調(diào)節(jié)

電機(jī)繞組中的最大電流通過固定關(guān)斷時間的 PWM 電流調(diào)節(jié)（即電流斬波）來進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng) H 橋處于正向或反向驅(qū)動狀態(tài)時，電流會根據(jù)繞組的直流電壓和電感以一定的速率上升。當(dāng)電流達(dá)到斬波閾值后，橋接進(jìn)入制動（低側(cè)慢衰減）模式，直到關(guān)斷時間 (t{OFF}) 結(jié)束。在實際設(shè)計中，我們可以通過選擇合適的檢測電阻值和在 VREF 引腳設(shè)置電壓來設(shè)定斬波電流。例如，使用 50mΩ 的檢測電阻，當(dāng) (V{REF}) 為 3.3V 時，滿量程斬波電流將達(dá)到 3.25A。這種電流調(diào)節(jié)功能對于限制電機(jī)的啟動和堵轉(zhuǎn)電流非常有效，能夠保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動電路。

2.4 放大器輸出 SO

SO 引腳輸出的模擬電壓等于 SP 和 SN 引腳之間電壓乘以放大器增益 (A{V})（在 DRV8701 中 (A{V}) 為 20V/V），該電壓僅在正向或反向驅(qū)動時有效。通過這個引腳，系統(tǒng)控制器可以準(zhǔn)確測量電機(jī)電流。例如，當(dāng) SP 和 SN 為 0V 時，SO 輸出放大器的失調(diào)電壓 (V_{OFF})。不過需要注意的是，如果 SP 和 SN 之間的電壓超過 1V，芯片會標(biāo)記過流情況。

2.5 PWM 電機(jī)柵極驅(qū)動器

DRV8701 內(nèi)部的柵極驅(qū)動器直接驅(qū)動 N 溝道 MOSFET，從而驅(qū)動電機(jī)電流。其中，高端柵極驅(qū)動由電荷泵提供，低端柵極驅(qū)動電壓由內(nèi)部穩(wěn)壓器產(chǎn)生。通過 IDRIVE 引腳可以調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動器的峰值驅(qū)動電流，峰值源電流可以設(shè)置為 6mA、12.5mA、25mA、100mA 或 150mA，峰值灌電流約為峰值源電流的 2 倍。在選擇柵極驅(qū)動強(qiáng)度時，需要確保所選電流足夠高，以便在 (t_{DRIVE}) 期間完全對柵極電容進(jìn)行充電和放電，否則會導(dǎo)致 FET 中產(chǎn)生過多的功率損耗。

2.6 IDRIVE 引腳

IDRIVE 引腳的設(shè)置非常關(guān)鍵，它可以通過設(shè)置電阻值或施加電壓來調(diào)整 H 橋輸出（SHx 引腳）的上升和下降時間。不同的 IDRIVE 電阻設(shè)置會對應(yīng)不同的源電流和灌電流。例如，將 IDRIVE 連接到 GND 時，選擇最低的驅(qū)動設(shè)置，源電流為 6mA，灌電流為 12.5mA；如果該引腳懸空，則選擇 100mA 源電流和 200mA 灌電流的設(shè)置。當(dāng) IDRIVE 短路到 AVDD 時，高端 FET 的 (V_{DS}) 過流監(jiān)測將被禁用，此時柵極驅(qū)動器配置為 25mA 源電流和 50mA 灌電流。

2.7 保護(hù)電路

DRV8701 具備完善的保護(hù)電路，能夠有效保護(hù)芯片和電機(jī)免受各種異常情況的損害。

• VM 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng) VM 引腳電壓低于 UVLO 閾值時，H 橋中的所有 FET 被禁用，電荷泵和 AVDD 也被禁用，nFAULT 引腳被拉低。只有當(dāng) VM 電壓上升到 UVLO 閾值以上時，操作才會恢復(fù)。
• VCP 欠壓鎖定（CPUV）：若 VCP 引腳電壓低于電荷泵欠壓閾值，H 橋中的所有 FET 被禁用，nFAULT 引腳被拉低。當(dāng) VCP 電壓上升到閾值以上時，操作恢復(fù)。
• 過流保護(hù)（OCP）：通過監(jiān)測外部 FET 上的 (V{DS}) 電壓降來檢測過流情況。如果驅(qū)動的 FET 上的電壓超過過流跳閘閾值（(V{DS OCP})）且持續(xù)時間超過 OCP 消隱時間（(t{OCP})），則會檢測到 OCP 事件，H 橋中的所有 FET 被禁用，nFAULT 引腳被拉低。經(jīng)過 OCP 重試周期（(t{RETRY})）后，驅(qū)動器重新啟用。
• 預(yù)驅(qū)動器故障（PDF）：監(jiān)測 GHx 和 GLx 引腳，如果在 (t{DRIVE}) 之后，外部 FET 柵極電壓沒有上升到 1V 以上（源電流時）或下降到 1V 以下（灌電流時），則檢測到預(yù)驅(qū)動器故障，H 橋中的所有 FET 被禁用，nFAULT 引腳被拉低。經(jīng)過重試周期（(t{RETRY})）后，驅(qū)動器重新啟用。
• 熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)芯片的管芯溫度超過 (T{TSD}) 時，H 橋中的所有 FET 被禁用，電荷泵關(guān)閉，AVDD 被禁用，nFAULT 引腳被拉低。當(dāng)管芯溫度下降到 (T{TSD}-T_{HYS}) 以下時，操作自動恢復(fù)。

3. 應(yīng)用設(shè)計與注意事項

3.1 有刷直流電機(jī)控制應(yīng)用

在設(shè)計有刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)時，首先需要根據(jù)系統(tǒng)的需求確定設(shè)計參數(shù)，如標(biāo)稱電源電壓、電源電壓范圍、FET 的總柵極電荷和柵極 - 漏極電荷、目標(biāo) FET 柵極上升時間以及電機(jī)電流斬波水平等。然后按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計：

• 外部 FET 選擇：根據(jù)電荷泵容量和輸出 PWM 頻率來選擇合適的 FET。例如，在 (VM = 7V)（(I{VCP}=8mA)）的系統(tǒng)中，使用最大 PWM 頻率為 40kHz 時，DRV8701 可以支持 (Q{G}<200nC) 的 FET。
• IDRIVE 配置：根據(jù) FET 的柵極電荷來選擇 IDRIVE。對于已知柵極 - 漏極電荷（(Q{GD})）和期望上升時間（RT）的 FET，可以通過 (IDRIVE >frac{Q{GD}}{RT}) 來選擇合適的 IDRIVE。例如，當(dāng) (Q_{GD}) 為 2.3nC，期望上升時間在 100 到 300ns 之間時，可以選擇 IDRIVE 在 7.7 到 23mA 之間，最終可以選擇 12.5mA 源電流（25mA 灌電流），此時需要從 IDRIVE 引腳到 GND 連接一個 33kΩ 的電阻。
• 電流斬波配置：根據(jù)所需的斬波電流，選擇合適的檢測電阻值和 VREF 電壓。例如，若期望斬波電流為 3A，選擇 (R_{SENSE}=50mΩ) 時，VREF 應(yīng)為 3.05V。可以通過創(chuàng)建一個從 AVDD（4.8V）的電阻分壓器來設(shè)置 (VREF ≈3V)，設(shè)置 (R2 = 3.3kΩ)，(R1 = 2kΩ)。

3.2 電源供應(yīng)

DRV8701 設(shè)計用于在 5.9V 至 45V 的輸入電壓供應(yīng)（VM）范圍內(nèi)工作。在設(shè)計電源電路時，需要在靠近 DRV8701 的位置放置一個額定為 VM 的 0.1μF 陶瓷電容器，同時在 VM 上還需要至少一個 10μF 的大容量電容器。外部 H 橋 FET 的旁路可能需要額外的大容量電容。大容量電容的大小需要根據(jù)系統(tǒng)的具體需求來確定，例如電機(jī)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(jī)系統(tǒng)之間的寄生電感、可接受的電壓紋波、電機(jī)類型以及電機(jī)制動方法等。一般來說，適當(dāng)增加大容量電容有助于穩(wěn)定電機(jī)電壓，但會增加成本和物理尺寸。

3.3 PCB 布局

合理的 PCB 布局對于 DRV8701 的性能至關(guān)重要。以下是一些布局準(zhǔn)則：

• 旁路電容：使用額定為 VM 的 0.1μF 低 ESR 陶瓷旁路電容將 VM 引腳旁路到 GND，并盡可能靠近 VM 引腳放置，同時使用厚跡線或接地平面連接到器件的 GND 引腳。使用額定為 VM 的大容量電容將 VM 引腳旁路到地，該電容可以是電解電容，其值至少為 10μF，并應(yīng)盡量縮短通過外部 FET 的高電流路徑的距離。
• 電荷泵相關(guān)電容：在 CPL 和 CPH 引腳之間放置一個 0.1μF 額定為 VM 的低 ESR 陶瓷電容，并盡可能靠近引腳。在 VM 和 VCP 引腳之間放置一個 1μF 額定為 16V 的低 ESR 陶瓷電容，并盡可能靠近引腳。
• 其他旁路電容：使用額定為 6.3V 的陶瓷電容將 AVDD 和 DVDD 旁路到地，并盡可能靠近引腳放置。
• 布線：使用單獨(dú)的跡線將 SP 和 SN 引腳連接到 (R_{SENSE}) 端子。如果需要，可以按照推薦的方式排列外部 NMOS FET，以方便布線，并將 SH2 和 SH1 網(wǎng)絡(luò)連接到電機(jī)。

4. 結(jié)語

DRV8701 作為一款功能強(qiáng)大的有刷直流電機(jī)全橋柵極驅(qū)動器，憑借其豐富的特性、靈活的控制方式和完善的保護(hù)功能，在工業(yè)、機(jī)器人、智能家居等多個領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。工程師們在使用該芯片進(jìn)行設(shè)計時，需要深入理解其各項特性和參數(shù)，結(jié)合具體的應(yīng)用場景進(jìn)行合理的設(shè)計和布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)帶來更高效、穩(wěn)定的運(yùn)行體驗。

希望通過本文的介紹，能讓大家對 DRV8701 有更深入的了解。在實際應(yīng)用中，你是否也遇到過一些與 DRV8701 相關(guān)的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。