DRV8231A：高性能直流电机驱动芯片的设计与应用解析

一、引言

在电子工程师的日常工作中，电机驱动芯片的选择和应用至关重要。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）推出的DRV8231A，这是一款专为驱动有刷直流电机而设计的8引脚设备，具有集成度高、性能优越等特点，能满足多种应用场景的需求。

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二、产品概述

2.1 基本特性

DRV8231A可在4.5V至33V的电源轨上驱动有刷直流电机。它通过两个逻辑输入控制由四个N沟道MOSFET组成的H桥驱动器，典型的 (R_{DS(on)}) 为600mΩ。其集成的电荷泵能内部提升VM电压，充分增强高端FET。电机速度可通过0至200kHz的脉冲宽度调制（PWM）进行控制，当两个输入都置低时，设备进入低功耗睡眠模式。

2.2 集成电流感应与调节

该芯片还集成了电流感应反馈功能，通过低端功率MOSFET上的电流镜将信息反馈给微控制器。IPROPI引脚输出与MOSFET电流成比例的小电流，可通过外部电阻将其转换为成比例的电压。这种集成式电流感应方案优于传统的外部分流电阻感应，能在关断时间的缓慢衰减再循环期间提供电流信息，且无需外部功率分流电阻。同时，集成的电流调节功能可通过固定关断时间的PWM斩波方案限制输出电流。

三、规格参数

3.1 绝对最大额定值

在工作温度范围内，OUTx的电压范围为 -0.7V至VM + 0.7V，IPROPI的电压范围为 -0.3V至5.75V，结温范围为 -40°C至150°C等。超出这些绝对最大额定值可能会导致设备永久性损坏。

3.2 ESD额定值

人体模型（HBM）的静电放电额定值为 ±2000V，带电设备模型（CDM）为 ±500V。

3.3 推荐工作条件

推荐的PWM频率为0至200kHz，峰值输出电流为0至3.7A，工作结温为 -40°C至150°C。

3.4 热信息

不同封装的DRV8231A具有不同的热阻参数，如RUA（结到环境热阻）、ReUC(top)（结到外壳顶部热阻）和ReJB（结到电路板热阻）等。

3.5 电气特性

包括输入滞后、输入逻辑电流、MOSFET导通电阻、体二极管正向电压、输出上升和下降时间、输入到输出传播延迟、输出死区时间等参数。

3.6 典型特性

通过一系列图表展示了睡眠电流、有源电流、MOSFET导通电阻等参数随电源电压和结温的变化关系，以及AIPROPI增益误差与电机电流的关系。

3.7 时序图

给出了输入到输出的时序图，明确了输入信号与输出信号之间的时间关系。

四、详细描述

4.1 功能框图

从功能框图可以看出，DRV8231A由电源、电荷泵、H桥驱动器、逻辑控制、电流感应等部分组成，各部分协同工作实现电机的驱动和控制。

4.2 外部组件

推荐使用0.1 - μF、低ESR的陶瓷电容作为VM到GND的旁路电容，以及根据具体情况选择合适的VM电源大容量电容。输入可以设置为静态电压实现100%占空比驱动，也可以进行PWM调制实现可变电机速度控制。

4.3 电流感应与调节

4.3.1 电流感应

IPROPI引脚输出与低端功率MOSFET电流成比例的模拟电流，可通过公式 (I{PROPI}(mu A)=(I{LS1}+I{LS2})(A) × A{IPROPI}(mu A / A)) 计算。该电流可通过外部电阻转换为电压，公式为 (V{IPROPI}(V)=I{PROPI}(A)× R_{IPROPI}(Omega ))。IPROPI输出带宽受内部电流感应电路的感应延迟时间限制。

4.3.2 电流调节

采用固定关断时间的电流斩波方案，可在电机堵转、高扭矩或其他高电流负载事件时限制输出电流，无需外部控制器干预。

4.4 保护电路

4.4.1 过流保护（OCP）

每个FET上的模拟电流限制电路可通过内部限制栅极驱动来限制通过FET的电流。如果模拟电流限制持续时间超过OCP消隐时间，H桥中的所有FET将被禁用，经过OCP重试周期后驱动器重新启用。

4.4.2 热关断（TSD）

当管芯温度超过安全限制时，H桥中的所有FET将被禁用，管芯温度降至安全水平后自动恢复运行。

4.4.3 VM欠压锁定（UVLO）

当VM引脚电压低于UVLO阈值时，设备中的所有电路将被禁用，输出FET被禁用，所有内部逻辑被复位。当VVM电压上升到UVLO上升阈值以上时，设备恢复运行。

五、应用与实现

5.1 典型应用

5.1.1 有刷直流电机驱动

给出了典型的连接图和设计参数，如电机电压、平均电机电流、电机启动浪涌电流、电机堵转电流、电机电流跳闸点、VREF电压、IPROPI感应电阻、PWM频率等。在设计过程中，需要根据电机的额定值和所需的RPM选择合适的电机电压，同时利用电流调节功能限制电机启动时的大电流。

5.1.2 堵转检测

通过IPROPI模拟电流感应反馈，系统可以实现简单的堵转检测方案。微控制器通过ADC读取IPROPI引脚的电压，并与固件中设置的堵转阈值进行比较，从而判断电机是否堵转。在设计时，需要考虑启动浪涌电流的影响，避免误判。

5.1.3 继电器驱动

PWM接口可用于驱动单线圈和双线圈锁存继电器，给出了相应的原理图、时序图和逻辑表。在驱动双线圈继电器时，通过控制IN1和IN2的输入状态，可以实现对两个线圈的交替驱动。

5.1.4 多源设计

DRV8231A/51A的IPROPI功能可以替代传统的电流感应放大器，在电路板设计过程中，可以灵活选择使用IPROPI或行业标准的分流设备，以满足不同的成本和性能需求。

5.2 电流能力与热性能

5.2.1 功率耗散与输出电流能力

设备的总功率耗散由静态电源电流耗散 (P{VM})、功率MOSFET开关损耗 (P{SW}) 和功率MOSFET (R{DS(on)}) （导通）损耗 (P{RDS}) 三部分组成，可通过相应的公式进行计算。

5.2.2 热性能

包括稳态热性能和瞬态热性能。稳态热性能与PCB的铜面积、层数和铜厚度有关，更多的铜面积、更多的层数和更厚的铜平面可以降低热阻，提高热性能。瞬态热性能还受驱动时间的影响，在短时间的大电流脉冲情况下，设备的管芯尺寸和封装对热性能起主导作用；而在长时间的驱动脉冲情况下，电路板布局对热性能的影响更为显著。

六、电源供应建议

在电机驱动系统设计中，适当的本地大容量电容至关重要。其容量大小取决于多种因素，如电机系统所需的最大电流、电源的电容和供电能力、电源与电机系统之间的寄生电感、可接受的电压纹波、电机类型、电机制动方法等。数据手册通常会提供推荐值，但需要进行系统级测试来确定合适的大容量电容尺寸。同时，大容量电容的电压额定值应高于工作电压，以应对电机向电源传输能量的情况。

七、布局设计

7.1 布局指南

由于DRV8231A集成了能够驱动大电流的功率MOSFET，因此在布局设计和外部组件放置时需要特别注意。建议使用低ESR的陶瓷电容作为VM到GND的旁路电容，VM电源电容应尽可能靠近设备放置，以减小环路电感。VM、OUT1、OUT2和GND等承载大电流的线路应采用较厚的金属布线。设备的散热垫应通过散热过孔连接到PCB顶层接地平面和内部接地平面（如果有），以提高PCB的散热能力。

7.2 布局示例

给出了DSG和DDA两种封装的布局示例，展示了如何合理安排引脚和组件，以实现良好的电气性能和散热效果。

八、总结

DRV8231A是一款功能强大、性能优越的有刷直流电机驱动芯片，具有集成电流感应、多种保护功能、低功耗睡眠模式等特点。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的设计需求，合理选择外部组件，优化布局设计，以充分发挥芯片的性能。同时，要注意电源供应和热管理等方面的问题，确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为电子工程师在使用DRV8231A进行设计时提供有价值的参考。你在使用DRV8231A的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。