DRV8840：一款強大的直流電機驅動IC

在電子工程師的日常工作中，電機驅動IC是一個經常會用到的關鍵組件。今天要給大家詳細介紹的就是德州儀器（TI）的DRV8840直流電機驅動IC，它在打印機、掃描儀等自動化設備應用中表現(xiàn)出色。

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一、產品特性

（一）電氣性能

DRV8840具有單H橋電流控制功能，工作電源電壓范圍為8.2 - 45V，能適應多種不同的電源環(huán)境。它采用5位電流控制，可實現(xiàn)多達32種電流水平的調節(jié)，滿足多樣化的應用需求。其MOSFET的導通電阻（HS + LS）典型值為0.4Ω，在24V、環(huán)境溫度25°C的條件下，最大驅動電流可達5A。此外，芯片還內置了3.3V參考輸出，方便為其他電路提供穩(wěn)定的電壓。

（二）接口與封裝

該芯片采用并行數(shù)字控制接口，與行業(yè)標準設備兼容，便于工程師進行設計和集成。它采用熱增強型表面貼裝封裝，有助于散熱，提高芯片的穩(wěn)定性和可靠性。

（三）保護功能

DRV8840具備完善的保護功能，包括過流保護（OCP）、熱關斷（TSD）、VM欠壓鎖定（UVLO）以及故障狀態(tài)指示引腳（nFAULT）。這些保護機制能夠有效保護芯片和電機，延長設備的使用壽命。

二、應用領域

DRV8840的應用范圍非常廣泛，涵蓋了打印機、掃描儀、辦公自動化機器、游戲機、工廠自動化以及機器人等領域。在這些應用中，DRV8840能夠為電機提供穩(wěn)定的驅動，確保設備的正常運行。

三、引腳配置與功能

（一）電源與接地引腳

• GND：作為設備的接地引腳，有兩個引腳（14、28）。
• VM：橋A的電源引腳，需要連接到電機電源（8.2 - 45V），并且兩個引腳（4、11）必須連接到相同的電源。
• V3P3OUT：3.3V穩(wěn)壓器輸出引腳，需要用一個0.47μF、6.3V的陶瓷電容旁路到GND，可用于為VREF供電。
• CP1、CP2：電荷泵飛跨電容引腳，需要在CP1和CP2之間連接一個0.01μF、50V的電容。
• VCP：高端柵極驅動電壓引腳，需要連接一個0.1μF、16V的陶瓷電容和一個1MΩ的電阻到VM。

（二）控制引腳

• PHASE：橋相位（方向）控制引腳，邏輯高電平時設置OUT1為高，OUT2為低，內部有下拉電阻。
• ENBL：橋使能引腳，邏輯高電平時使能H橋，內部有下拉電阻。
• I0 - I4：電流設置輸入引腳，用于設置繞組電流為滿量程的百分比，內部有下拉電阻。
• DECAY：衰減（制動）模式控制引腳，低電平為制動（慢衰減），高電平為滑行（快衰減），內部有上拉和下拉電阻。
• nRESET：復位輸入引腳，低電平有效，用于初始化邏輯并禁用H橋輸出，內部有下拉電阻。
• nSLEEP：睡眠模式輸入引腳，邏輯高電平時使能設備，邏輯低電平時進入低功耗睡眠模式，內部有下拉電阻。

（三）狀態(tài)與輸出引腳

• nFAULT：故障輸出引腳（開漏輸出），當出現(xiàn)故障（過溫、過流）時，引腳輸出低電平。
• ISEN：橋接地/電流檢測引腳，需要連接到電流檢測電阻，兩個引腳（6、9）必須在PCB上連接在一起。
• OUT1、OUT2：橋輸出引腳，需要連接到電機繞組，兩個引腳（5、10和7、8）必須在PCB上連接在一起。

四、技術參數(shù)

（一）絕對最大額定值

• VMx電源電壓：-0.3 - 47V
• 數(shù)字引腳電壓：-0.5 - 7V
• VREF輸入電壓：-0.3 - 4V
• ISENSEx引腳電壓：-0.8 - 0.8V
• 峰值電機驅動輸出電流（t < 1μS）：內部限制
• 連續(xù)電機驅動輸出電流：0 - 5A
• 連續(xù)總功耗：見6.4節(jié)
• TJ工作虛擬結溫：-40 - 150°C
• TA工作環(huán)境溫度：-40 - 85°C
• Tstg存儲溫度：-60 - 150°C

（二）ESD額定值

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

（三）推薦工作條件

• VM電機電源電壓：8.2 - 45V
• VREF輸入電壓：1 - 3.5V
• V3P3OUT負載電流：0 - 1mA
• 外部施加的PWM頻率：0 - 100kHz

（四）熱信息

• RθJA結到環(huán)境熱阻：31.6°C/W
• RθJC(top)結到外殼（頂部）熱阻：15.9°C/W
• RθJB結到電路板熱阻：5.6°C/W
• ψJT結到頂部表征參數(shù)：0.2°C/W
• ψJB結到電路板表征參數(shù)：5.5°C/W
• RθJC(bot)結到外殼（底部）熱阻：1.4°C/W

（五）電氣特性

芯片在不同的參數(shù)下有著特定的電氣特性，例如在不同電源電壓、不同溫度條件下的電流、電壓等參數(shù)。這些參數(shù)對于工程師進行電路設計和性能評估非常重要。

五、功能詳解

（一）PWM電機驅動

DRV8840包含一個帶有電流控制PWM電路的H橋電機驅動器。多個VM、ISEN、OUT和VREF引腳需要在PCB上連接在一起。

（二）橋控制

• PHASE引腳：控制電流通過H橋的方向，從而控制直流電機的旋轉方向。
• ENBL引腳：高電平時使能H橋輸出，可用于電機的PWM速度控制。
• DECAY引腳：選擇橋在ENBL = 0時的行為，可選擇慢衰減（制動）或快衰減（滑行）。

（三）電流調節(jié)

電機繞組中的最大電流通過固定頻率的PWM電流調節(jié)或電流斬波進行調節(jié)。當H橋使能時，電流會根據(jù)繞組的直流電壓和電感以一定速率上升。當電流達到斬波閾值時，橋會禁用電流，直到下一個PWM周期開始。對于直流電機，電流調節(jié)用于限制電機的啟動和堵轉電流。速度控制通常通過向ENBLx輸入引腳提供外部PWM信號來實現(xiàn)。如果不需要電流調節(jié)功能，可以將ISENSE引腳直接接地，將VREF引腳連接到V3P3。

（四）衰減模式和制動

• 快衰減模式：當PWM斬波電流達到設定值時，H橋反轉狀態(tài)，允許繞組電流反向流動。當繞組電流接近零時，橋被禁用，以防止任何反向電流流動。
• 慢衰減模式：通過使能橋中的兩個低端FET，使繞組電流再循環(huán)。
• DECAY引腳：邏輯低電平選擇慢衰減，邏輯高電平選擇快衰減模式。如果該引腳懸空或未驅動，則設置為混合衰減模式。

（五）消隱時間

在H橋中電流使能后，xISEN引腳的電壓在固定的一段時間內被忽略，然后再啟用電流檢測電路。這個消隱時間固定為3.75μs，同時也設置了PWM的最小導通時間。

（六）保護電路

• 過流保護（OCP）：每個FET上的模擬電流限制電路通過移除柵極驅動來限制通過FET的電流。如果這種模擬電流限制持續(xù)時間超過OCP時間，H橋中的所有FET將被禁用，nFAULT引腳將被拉低。設備將保持禁用狀態(tài)，直到施加nRESET引腳或移除并重新施加VM。
• 熱關斷（TSD）：如果芯片溫度超過安全限制，H橋中的所有FET將被禁用，nFAULT引腳將被拉低。當芯片溫度降至安全水平時，操作將自動恢復。
• 欠壓鎖定（UVLO）：如果VM引腳的電壓在任何時候低于欠壓鎖定閾值電壓，設備中的所有電路將被禁用，內部邏輯將被復位。當VM電壓上升到UVLO閾值以上時，操作將恢復。

六、應用與設計

（一）典型應用

在典型應用中，需要考慮一些設計參數(shù)，如電源電壓、電機繞組電阻、電感、目標斬波電流、檢測電阻和VREF電壓等。例如，在一個應用中，電源電壓為24V，電機繞組電阻為3.9V，電感為2.9mH，目標斬波電流為1.5A，檢測電阻為100mΩ，VREF電壓為0.75V。

（二）詳細設計步驟

• 電流調節(jié)：最大電流（ITRIP）由Ix引腳、VREF模擬電壓和檢測電阻值（RSENSE）設置。在啟動有刷直流電機時，由于沒有反電動勢和高靜轉矩，可能會出現(xiàn)大的浪涌電流。電流調節(jié)將限制這種浪涌電流，防止啟動時出現(xiàn)高電流。
• 檢測電阻：為了獲得最佳性能，檢測電阻應滿足表面貼裝、低電感、額定功率足夠高以及靠近電機驅動器等要求。檢測電阻的功耗等于Irms2 × R，因此在選擇電阻時需要考慮電機的RMS電流和電阻的額定功率。

七、電源與布局建議

（一）電源建議

DRV8840設計用于在8.2 - 45V的輸入電壓范圍內工作，絕對最大額定值為47V。每個VM引腳必須盡可能靠近DRV8840放置一個額定電壓為VM的0.1μF陶瓷電容。此外，還需要在VM上添加一個大容量電容。

（二）布局指南

• VM引腳：每個VM終端必須使用額定電壓為VM的低ESR陶瓷旁路電容（推薦值為0.1μF）旁路到GND。這些電容應盡可能靠近VM引腳放置，并通過厚走線或接地平面連接到設備GND引腳。
• CP1和CP2引腳：在CP1和CP2引腳之間必須放置一個低ESR陶瓷電容，TI推薦使用額定電壓為VM的0.1μF電容。
• VM和VCP引腳：在VM和VCP引腳之間必須放置一個低ESR陶瓷電容（TI推薦值為0.47μF，額定電壓為16V），并在VM和VCP之間放置一個1MΩ的電阻。
• V3P3OUT引腳：使用額定電壓為6.3V的陶瓷電容將V3P3OUT旁路到地，并將該旁路電容盡可能靠近引腳放置。
• 檢測電阻：檢測電阻應盡可能靠近設備引腳放置，以最小化引腳和電阻之間的走線電感。

（三）熱考慮

• 功率耗散：在運行直流電機時，DRV8840的平均功率耗散可以通過公式P = 2 × RDS(ON) × (IOUT)2大致估算。其中，P是一個H橋的功率耗散，RDS(ON)是每個FET的電阻，IOUT是應用于每個繞組的RMS輸出電流。需要注意的是，在啟動和故障條件下，電流會比正常運行電流高很多，這些峰值電流及其持續(xù)時間也需要考慮在內。
• 散熱：PowerPAD?封裝使用外露焊盤來散熱。為了確保正常工作，該焊盤必須與PCB上的銅進行熱連接，以散發(fā)熱量。在多層PCB上，可以通過添加多個過孔將熱焊盤連接到接地平面。在沒有內部平面的PCB上，可以在PCB的任一側添加銅面積來散熱。

總之，DRV8840是一款功能強大、性能穩(wěn)定的直流電機驅動IC。通過合理的設計和布局，它能夠在各種自動化設備應用中發(fā)揮出色的作用。各位工程師在實際應用中，不妨根據(jù)具體需求，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，打造出更加優(yōu)秀的產品。大家在使用DRV8840的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)留言分享。