DRV8830低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程領(lǐng)域，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵組件。今天，我們要深入探討德州儀器（TI）的DRV8830低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它為電池供電的玩具、打印機(jī)和其他低電壓或電池供電的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用提供了集成化的解決方案。

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一、DRV8830的關(guān)鍵特性

1. 高效驅(qū)動(dòng)能力

DRV8830采用H橋電壓控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，能夠驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)繞組或其他執(zhí)行器/負(fù)載。其低MOSFET導(dǎo)通電阻（HS + LS 450 mΩ）可減少功率損耗，提高效率。同時(shí)，它能提供高達(dá)1A的最大直流/均方根或峰值驅(qū)動(dòng)電流，滿足多種負(fù)載的需求。

2. 寬電壓范圍與低功耗

該驅(qū)動(dòng)器的工作電源電壓范圍為2.75V至6.8V，適用于大多數(shù)電池供電系統(tǒng)。在睡眠模式下，其典型電流僅為300nA，有助于延長電池使用壽命。

3. 串行接口與多地址選擇

DRV8830具備串行I2C兼容接口，支持多個(gè)地址選擇，允許在一條I2C總線上連接多達(dá)9個(gè)設(shè)備，方便實(shí)現(xiàn)多設(shè)備的集中控制。

4. 保護(hù)功能完善

內(nèi)置電流限制電路和故障輸出功能，可有效防止過流、短路、欠壓和過熱等故障對(duì)設(shè)備造成損壞。一旦檢測(cè)到故障，F(xiàn)AULTn引腳將輸出低電平信號(hào)，同時(shí)在串行接口寄存器中設(shè)置相應(yīng)的故障位。

5. 熱增強(qiáng)封裝

提供熱增強(qiáng)型表面貼裝封裝，如3mm × 3mm 10引腳的VSON封裝和HVSSOP封裝，有助于提高散熱性能，確保設(shè)備在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

DRV8830的應(yīng)用場(chǎng)景非常豐富，尤其適用于電池供電設(shè)備，如打印機(jī)、玩具、機(jī)器人、相機(jī)和手機(jī)等。此外，它還可用于小型執(zhí)行器、泵等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。

三、詳細(xì)功能解析

1. 電壓調(diào)節(jié)功能

DRV8830采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)來調(diào)節(jié)施加在電機(jī)繞組上的電壓，即使在電源電壓變化（如電池放電）的情況下，也能保持電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。該電路通過監(jiān)測(cè)輸出引腳之間的電壓差并進(jìn)行積分，得到平均直流電壓值，然后將其與通過串行接口設(shè)置的VSET DAC輸出電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整PWM輸出的占空比。 需要注意的是，如果編程輸出電壓大于電源電壓，設(shè)備將以100%的占空比運(yùn)行，電壓調(diào)節(jié)功能將被禁用，此時(shí)設(shè)備表現(xiàn)為傳統(tǒng)的H橋驅(qū)動(dòng)器。

2. 電壓設(shè)置（VSET DAC）

內(nèi)部參考電壓連接到DAC，通過VSET位控制DAC生成用于設(shè)置PWM調(diào)節(jié)輸出電壓的電壓值。具體的輸出電壓可根據(jù)公式 (4 times VREF times (VSET + 1) / 64) 計(jì)算，其中VREF為內(nèi)部1.285V參考電壓。

3. 電流限制功能

為了保護(hù)系統(tǒng)在過流情況下不受損壞，DRV8830配備了電流限制電路。通過監(jiān)測(cè)外部檢測(cè)電阻上的電壓，當(dāng)電壓超過200mV且持續(xù)時(shí)間超過約3μs時(shí)，PWM占空比將減小，以限制電機(jī)電流。如果過流情況持續(xù)約275ms，則會(huì)觸發(fā)故障信號(hào)，將FAULTn信號(hào)拉低，并在串行接口寄存器中設(shè)置FAULT和ILIMIT位。

4. 保護(hù)電路

• 過流保護(hù)（OCP）：每個(gè)FET上的模擬電流限制電路通過去除柵極驅(qū)動(dòng)來限制通過FET的電流。如果模擬電流限制持續(xù)時(shí)間超過OCP時(shí)間，H橋中的所有FET將被禁用，F(xiàn)AULTn信號(hào)將被拉低，F(xiàn)AULT寄存器中的FAULT和OCP位將被設(shè)置。
• 熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)芯片溫度超過安全限制時(shí)，H橋中的所有FET將被禁用，F(xiàn)AULTn信號(hào)將被拉低，串行接口寄存器中的FAULT和OTS位將被設(shè)置。當(dāng)芯片溫度降至安全水平時(shí)，設(shè)備將自動(dòng)恢復(fù)工作。
• 欠壓鎖定（UVLO）：如果VCC引腳電壓低于欠壓鎖定閾值電壓，H橋中的所有FET將被禁用，F(xiàn)AULTn信號(hào)將被拉低，F(xiàn)AULT寄存器中的FAULT和UVLO位將被設(shè)置。當(dāng)VCC電壓高于UVLO閾值時(shí)，設(shè)備將恢復(fù)工作。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

1. 電源供應(yīng)

為了確保DRV8830的穩(wěn)定運(yùn)行，建議使用電源監(jiān)控器來控制設(shè)備的睡眠模式。同時(shí)，適當(dāng)?shù)谋镜卮笕萘?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要，它可以穩(wěn)定電源電壓，快速提供高電流。電容的選擇需要考慮電機(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)類型和制動(dòng)方法等因素。

2. 布局設(shè)計(jì)

• VCC引腳旁路：使用低ESR陶瓷旁路電容（推薦值為0.1-μF）將VCC引腳旁路到GND，并將電容盡可能靠近VCC引腳放置，同時(shí)使用粗走線或接地平面連接到設(shè)備的GND引腳。
• 大容量電容：使用適當(dāng)?shù)拇笕萘侩娙荩ㄈ?a target="_blank">電解電容）將VCC引腳旁路到地，并將其放置在靠近DRV8830的位置。

  3. 熱管理

  DRV8830具有熱關(guān)斷（TSD）功能，當(dāng)芯片溫度超過約160°C時(shí)，設(shè)備將被禁用，直到溫度降至安全水平。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮功率耗散和散熱問題，確保設(shè)備不會(huì)因過熱而損壞。功率耗散主要取決于輸出FET的導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)})，可通過公式 (P{TOT} = 2 cdot R{DS(ON)} cdot (I{OUT(RMS)})^2) 估算。

  4. 編程與通信

  通過I2C兼容的串行接口，微控制器可以對(duì)DRV8830進(jìn)行控制和監(jiān)控。在使用時(shí)，需要注意設(shè)備地址的設(shè)置和通信時(shí)序要求。設(shè)備地址的低三位由引腳A0 - A1輸入，這三位地址位在電源上電時(shí)被鎖存，不能動(dòng)態(tài)更改。

五、典型應(yīng)用案例

以一個(gè)常見的電機(jī)控制電路為例，假設(shè)系統(tǒng)的VCC電壓在4至6V之間變化，我們可以按照以下步驟配置DRV8830：

1. 確定電機(jī)電壓

根據(jù)所選電機(jī)的額定值和所需的RPM，選擇合適的電機(jī)電壓。建議將電機(jī)電壓設(shè)置為系統(tǒng)最低VCC電壓，以確保在不同VCC條件下保持恒定的RPM。

2. 設(shè)置電機(jī)電流跳閘點(diǎn)

通過選擇合適的檢測(cè)電阻RSENSE，將電機(jī)電流限制在所需的ILIMIT水平。計(jì)算公式為 (R{ISENSE} = 0.2V / I{LIMIT})。為了防止誤跳閘，ILIMIT必須高于正常運(yùn)行電流。同時(shí)，可以使用串聯(lián)電感或斜坡驅(qū)動(dòng)占空比的方法來限制啟動(dòng)電流。

3. 選擇檢測(cè)電阻

為了獲得最佳性能，檢測(cè)電阻應(yīng)具有表面貼裝、低電感、足夠的功率額定值，并靠近電機(jī)驅(qū)動(dòng)器放置。可以使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻并聯(lián)的方式來分布電流和散熱。

4. 低功耗操作

在正常操作中，使用睡眠模式可以有效降低電源電流。如果需要進(jìn)一步降低功耗，可以斷開DRV8830的電源，但需要注意同時(shí)斷開FAULTn上拉電阻的電源，并將IN1和IN2設(shè)置為邏輯低。

六、總結(jié)

DRV8830低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和完善的保護(hù)功能，成為電池供電運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的理想選擇。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮電源供應(yīng)、布局設(shè)計(jì)、熱管理和編程通信等方面的要點(diǎn)，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和性能優(yōu)化。希望本文能為電子工程師在使用DRV8830進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用DRV8830的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。