DRV8812双桥电机控制器设计与应用全解析

在电子工程师的日常工作中，电机控制是一个非常重要的领域。今天将深入探讨德州仪器（TI）的DRV8812双桥电机控制器IC，其集众多功能于一身，为电机控制设计提供了强大而灵活的解决方案。

1. 产品概述

1.1 核心特性

• 宽电压范围：DRV8812的工作电源电压范围为8.2V至45V，这使得它能够适应多种不同的电源环境，为不同的应用场景提供了广泛的适用性。
• 高驱动能力：在24V和25°C的条件下，最大驱动电流可达1.6A，确保了对电机的强劲驱动，能够满足大多数电机的功率需求。
• 双H桥设计：具备两个H桥驱动器，可以驱动一个双极步进电机或两个直流电机。这种设计为电机控制提供了更多的灵活性，可根据实际需求选择不同的电机类型进行驱动。
• 多种衰减模式：支持快速衰减、慢速衰减和混合衰减三种模式，可通过DECAY引脚进行选择。不同的衰减模式适用于不同的应用场景，能够有效地控制电机的运行特性。
• 标准数字接口：采用简单的并行数字控制接口，与行业标准设备兼容，方便工程师进行集成和控制。
• 低功耗睡眠模式：当电机不运行时，可进入低功耗睡眠模式，有助于降低系统功耗，提高能源效率。
• 全面保护功能：内置过流保护（OCP）、热关断（TSD）、欠压锁定（UVLO）和故障指示引脚（nFAULT）等保护功能，能够有效保护芯片和电机免受损坏，提高系统的可靠性。

1.2 应用领域

• 金融设备：如自动取款机、货币处理机等，需要精确控制电机的运行，以确保设备的正常工作。
• 安防监控：视频安全摄像头中的电机控制，可实现摄像头的云台转动等功能。
• 办公自动化：打印机、扫描仪和办公自动化机器等，对电机的精度和稳定性要求较高。
• 娱乐游戏：游戏机中的电机控制，可提供振动反馈等增强体验。
• 工业自动化：工厂自动化和机器人领域，需要电机控制器具备高可靠性和精确控制能力。

2. 引脚配置与功能

2.1 引脚布局

DRV8812提供28引脚的HTSSOP（PWP）和VQFN（RHD）两种封装形式。不同封装的引脚排列有所不同，但功能基本一致。详细的引脚布局可参考产品文档中的引脚图。

2.2 引脚功能

• 电源与接地引脚：包括GND、VMA、VMB和V3P3OUT等。其中，VMA和VMB为桥A和桥B的电源引脚，需连接到8.2V至45V的电机电源，并通过0.1μF电容旁路到GND；V3P3OUT为3.3V稳压器输出引脚，可用于为VREF供电。
• 控制引脚：如AENBL、APHASE、AI0、AI1、BENBL、BPHASE、BI0、BI1、DECAY、nRESET和nSLEEP等。这些引脚用于控制电机的运行方向、电流大小和衰减模式等。例如，AENBL和BENBL分别用于使能桥A和桥B，APHASE和BPHASE用于控制电机的方向。
• 状态引脚：nFAULT为故障指示引脚，当出现过温、过流等故障时，该引脚输出低电平。
• 输出引脚：包括ISENA、ISENB、AOUT1、AOUT2、BOUT1和BOUT2等。这些引脚用于连接电机绕组和电流传感电阻，实现对电机电流的监测和控制。

3. 规格参数

3.1 绝对最大额定值

在使用DRV8812时，需要注意其绝对最大额定值，以避免对芯片造成永久性损坏。例如，电源电压范围为 -0.3V至47V，连续电机驱动输出电流最大为1.6A，工作虚拟结温范围为 -40°C至150°C等。

3.2 ESD额定值

芯片的ESD额定值为人体模型（HBM）±2000V，充电器件模型（CDM）±500V。在处理芯片时，应采取适当的静电防护措施，以防止芯片受到静电损伤。

3.3 推荐工作条件

为了确保芯片的正常运行和性能稳定，建议在推荐的工作条件下使用。例如，电机电源电压范围为8.2V至45V，VREF输入电压范围为1V至3.5V等。

3.4 热信息

不同封装的DRV8812具有不同的热阻参数。例如，HTSSOP封装的结到环境热阻为38.9°C/W，VQFN封装为35.8°C/W。在设计散热方案时，需要根据实际情况选择合适的封装，并确保芯片的散热良好。

3.5 电气特性

包括电源电流、睡眠模式电流、欠压锁定电压、逻辑输入电平、输出电压和电流等参数。这些参数对于评估芯片的性能和功耗至关重要。例如，VM工作电源电流在24V和fPWM < 50kHz时典型值为5mA，睡眠模式电源电流在24V时典型值为10μA。

3.6 典型特性曲线

文档中提供了一些典型特性曲线，如IVMx与V(VMx)、IVMxQ与V(VMx)、RDS(ON)与V(VMx)以及RDS(ON)与温度的关系曲线。这些曲线可以帮助工程师更好地了解芯片在不同条件下的性能表现，为设计提供参考。

4. 详细工作原理

4.1 整体架构

DRV8812集成了两个NMOS H桥、电流传感、调节电路和详细的故障检测功能。通过PHASE/ENBL接口与控制器电路进行简单交互，实现对电机的控制。

4.2 桥控制

xPHASE输入引脚用于控制每个H桥的电流方向，xENBL输入引脚在高电平时使能H桥输出。通过合理设置这两个引脚的电平，可以实现电机的正反转控制。

4.3 电流调节

电机绕组中的电流通过固定频率的PWM电流调节（或电流斩波）进行调节。当H桥使能时，绕组电流根据绕组的直流电压和电感以一定速率上升。一旦电流达到斩波阈值，桥将禁用电流，直到下一个PWM周期开始。通过比较连接到xISEN引脚的电流传感电阻两端的电压（乘以5倍）与参考电压，可以设置PWM斩波电流。参考电压从xVREF引脚输入，并通过2位DAC进行缩放，可实现100%、71%、38%和0%的电流设置。

4.4 衰减模式

在PWM电流斩波期间，当电流达到斩波阈值后，H桥可以工作在快速衰减、慢速衰减或混合衰减模式。快速衰减模式下，H桥反转状态，允许绕组电流反向流动；慢速衰减模式下，通过使能桥中的两个低侧FET来使绕组电流再循环；混合衰减模式则先以快速衰减开始，在PWM周期的75%时切换到慢速衰减模式。

4.5 消隐时间

在H桥中电流使能后，xISEN引脚的电压在一段固定时间（3.75μs）内被忽略，以避免电流传感电路受到干扰。这段时间也决定了PWM的最小导通时间。

4.6 复位与睡眠模式

nRESET引脚在低电平时复位内部逻辑，并禁用H桥驱动器。nSLEEP引脚在低电平时将芯片置于低功耗睡眠状态，此时H桥禁用，栅极驱动电荷泵停止，V3P3OUT稳压器禁用，所有内部时钟停止。从睡眠模式返回时，需要约1ms的时间使电机驱动器完全恢复正常工作。

4.7 保护电路

• 过流保护（OCP）：每个FET上的模拟电流限制电路通过移除栅极驱动来限制FET中的电流。如果模拟电流限制持续时间超过OCP时间，H桥中的所有FET将被禁用，nFAULT引脚将输出低电平。
• 热关断（TSD）：如果芯片温度超过安全限制，H桥中的所有FET将被禁用，nFAULT引脚将输出低电平。当芯片温度降至安全水平后，操作将自动恢复。
• 欠压锁定（UVLO）：当VM引脚的电压低于欠压锁定阈值电压时，芯片中的所有电路将被禁用，内部逻辑将被复位。当VM电压上升到UVLO阈值以上时，操作将恢复。

5. 应用设计

5.1 典型应用电路

文档中提供了一个典型的应用电路图，展示了如何将DRV8812用于控制双极步进电机。该电路包括电源滤波电容、电流传感电阻、参考电压源等元件，通过合理连接和配置这些元件，可以实现电机的精确控制。

5.2 设计要求与参数

以一个典型的设计为例，电源电压为24V，电机绕组电阻为3.9Ω，电机绕组电感为2.9mH，传感电阻值为400mΩ，目标满量程电流为1.25A。在设计过程中，需要根据这些参数进行相关计算和选型。

5.3 详细设计步骤

• 电流调节设计：根据公式 (I{FS}(A)=frac{xVREF(V)}{A{v} × R{SENSE }(Omega)}=frac{xVREF(V)}{5 × R{SENSE }(Omega)}) 计算满量程电流，通过调整xVREF电压和传感电阻值来实现所需的电流设置。
• 衰减模式选择：根据应用需求选择合适的衰减模式，以优化电机的运行性能。
• 传感电阻选型：选择表面贴装、低电感、功率额定值足够且靠近电机驱动器的传感电阻。多个标准电阻并联使用可以分布电流和热量，提高系统的可靠性。

5.4 应用曲线分析

文档中提供了DRV8828的电流限制和方向变化曲线。通过分析这些曲线，可以更好地了解电机在不同运行条件下的性能表现，为设计优化提供依据。

6. 电源与布局建议

6.1 电源设计

• 旁路电容：在VMA和VMB引脚附近分别放置两个0.1μF的陶瓷电容，用于滤除电源噪声。
• 大容量电容：根据应用需求选择合适的大容量电容，以满足系统对电源电压纹波的要求。大容量电容的选型需要考虑电源类型、可接受的电源电压纹波、电源布线中的寄生电感、电机类型、电机启动电流和电机制动方法等因素。
• 电源与逻辑时序：DRV8812的上电顺序没有特殊要求，数字输入信号可以在VMx施加之前存在。VMx施加后，芯片将根据控制引脚的状态开始工作。

6.2 布局设计

• 旁路电容布局：VMA和VMB引脚应使用低ESR陶瓷旁路电容（推荐值为0.1μF）旁路到GND，并尽可能靠近引脚，通过厚走线或接地平面连接到芯片的GND引脚。
• 电荷泵电容布局：在CPL和CPH引脚之间放置一个低ESR陶瓷电容（推荐值为0.01μF），并尽可能靠近引脚。
• VMA和VCP引脚布局：在VMA和VCP引脚之间放置一个低ESR陶瓷电容（推荐值为0.1μF，额定电压为16V），并尽可能靠近引脚。同时，在VCP和VMA之间放置一个1MΩ电阻。
• V3P3引脚布局：使用一个额定电压为6.3V的陶瓷电容将V3P3旁路到接地，并尽可能靠近引脚。

6.3 散热考虑

• 热保护：DRV8812具有热关断（TSD）功能，当芯片温度超过约150°C时，芯片将被禁用，直到温度降至安全水平。
• 功率损耗计算：芯片的功率损耗主要由输出FET电阻（RDS(ON)）决定，可通过公式 (P{TOT } = 4 × R{DS(ON)} timesleft(I_{OUT(RMS) }right)^{2}) 粗略估算。在设计过程中，需要考虑RDS(ON)随温度的变化，以确保散热方案的有效性。
• 散热设计：PowerPAD™封装通过暴露的焊盘将热量从芯片中散发出去。在PCB设计中，需要将该焊盘与PCB上的铜层进行热连接，以提高散热效率。可以通过添加多个过孔将热焊盘连接到接地平面，或在PCB的两侧添加铜面积来增加散热效果。详细的散热设计可参考TI的应用报告SLMA002和SLMA004。

7. 总结

DRV8812是一款功能强大、性能稳定的双桥电机控制器IC，具有宽电压范围、高驱动能力、多种衰减模式和全面的保护功能等优点。在电机控制设计中，工程师可以根据实际需求合理选择芯片的工作模式和参数，同时注意电源设计、布局设计和散热设计等方面的问题，以确保系统的可靠性和性能。希望本文对电子工程师在使用DRV8812进行电机控制设计时有所帮助。你在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。