DRV8434E/P双H桥电机驱动器：高性能驱动方案解析

作为电子工程师，在电机驱动设计领域中，不断寻求高性能、高集成度且兼具可靠性的解决方案是我们的重要目标。今天，就来深入探讨德州仪器（TI）推出的DRV8434E/P双H桥电机驱动器，看看它如何在众多电机驱动产品中脱颖而出。

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一、产品概述

DRV8434E/P是一款专为各种工业应用设计的双H桥电机驱动器，适用于驱动双路直流电机或双极性步进电机。其供电电压范围为4.5V至48V，每桥最大峰值电流可达4A（用于直流有刷电机），满量程电流为2.5A（用于步进电机），能够满足多种电机驱动的需求。

（一）关键特性

1. 集成电流感应功能：采用内部电流镜架构，无需外部功率检测电阻，不仅节省了电路板空间，还降低了系统成本和功耗。电流测量精度高达±4%，确保了精确的电流控制。
2. 多控制接口选择：提供PHASE/ENABLE（PH/EN）和PWM（IN/IN）两种控制接口，方便与不同的控制器电路进行连接，增强了设计的灵活性。
3. 智能调谐与多种衰减模式：支持智能调谐动态衰减、智能调谐纹波控制、混合衰减和快速衰减等多种模式，可根据不同的应用场景自动调整衰减模式，以实现最小的电流纹波和最高的效率。
4. 低导通电阻：在24V、25°C的条件下，高侧和低侧MOSFET的导通电阻（RDS(ON)）仅为330mΩ，有效降低了功率损耗，提高了驱动器的效率。
5. 完善的保护功能：具备电源欠压锁定（UVLO）、电荷泵欠压（CPUV）、过流保护（OCP）和热关断（OTSD）等多种保护功能，确保驱动器在各种异常情况下的安全运行。同时，通过nFAULT引脚输出故障信号，方便系统进行故障诊断和处理。
6. 低功耗睡眠模式：睡眠模式下的电流仅为2μA，可有效降低系统功耗，延长电池续航时间。

（二）应用领域

DRV8434E/P广泛应用于打印机、扫描仪、ATM机、纺织机械、办公和家庭自动化、工厂自动化和机器人、大型家用电器等领域，为这些设备的电机驱动提供了可靠的解决方案。

二、引脚配置与功能

（一）引脚配置

DRV8434E/P有HTSSOP（28引脚）和VQFN（24引脚）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。主要引脚包括电源引脚（VM、DVDD）、控制引脚（APH、AEN、BPH、BEN等）、输出引脚（AOUT1、AOUT2、BOUT1、BOUT2）和保护引脚（nFAULT、nSLEEP）等。

（二）引脚功能

• 控制引脚：用于控制电机的运行方向、速度和使能状态。例如，APH和AEN引脚控制H桥A的运行，通过不同的电平组合可以实现电机的正反转和停止。
• 输出引脚：连接到电机的绕组，提供驱动电流。
• 保护引脚：nFAULT引脚在检测到故障时输出低电平，可用于触发系统的保护机制；nSLEEP引脚用于控制驱动器进入睡眠模式或唤醒状态。

三、性能参数详解

（一）绝对最大额定值

器件的电源电压（VM）绝对最大额定值为50V，控制引脚电压范围为 - 0.3V至5.75V，连续相节点引脚电压范围为 - 1V至VM + 1V等。这些参数规定了器件在极端情况下的安全工作范围，超过这些值可能会导致器件损坏。

（二）ESD额定值

该器件的人体模型（HBM）静电放电电压为±2000V，带电设备模型（CDM）的静电放电电压根据引脚不同有所差异，这表明器件具有较好的抗静电能力，能够在复杂的工业环境中可靠工作。

（三）推荐工作条件

正常工作时，电源电压范围为4.5V至48V，逻辑电平输入电压范围为0V至5.5V，PWM信号频率范围为0至100kHz等。在这些条件下，器件能够发挥最佳性能。

（四）热特性信息

不同封装的热阻有所不同，例如HTSSOP封装的结到环境热阻（RθJA）为29.7°C/W，VQFN封装为39.0°C/W。了解这些热特性对于进行散热设计至关重要，以确保器件在工作过程中不会因过热而损坏。

四、详细功能描述

（一）桥控制

DRV8434E采用PH/EN接口进行控制，DRV8434P采用PWM接口进行控制。通过不同的控制信号组合，可以实现电机的正反转、制动和停止等功能。例如，在DRV8434E的控制中，当nSLEEP为高电平，xEN为高电平，xPH为高电平时，电机正向转动；当xPH为低电平时，电机反向转动。

（二）电流调节

电机绕组中的电流通过可调关断时间的PWM电流调节电路进行调节。当电流达到调节阈值时，H桥进入衰减模式一段时间，以降低电流。衰减时间由TOFF引脚设置，可选择7μs、16μs、24μs或32μs。电流调节阈值由VREFx引脚的电压决定，通过公式 (I{FS}(A)=V{REFx}(V) / K{V}(V / A)) 计算，其中 (K{V}) 为跨阻增益，典型值为1.32V/A。

（三）衰减模式

• 快速衰减模式：当PWM斩波电流达到设定值时，H桥反转状态，使绕组电流反向流动。该模式下电流纹波最大，但在电流下降时响应速度最快。
• 慢速衰减模式：通过使能桥中的两个低侧FET，使绕组电流再循环。该模式下电流纹波最小，但响应速度较慢。
• 混合衰减模式：开始的30%的关断时间采用快速衰减，其余时间采用慢速衰减。该模式的纹波介于快速衰减和慢速衰减之间，在电流下降时的响应速度比慢速衰减快。
• 智能调谐动态衰减模式：根据电机的运行因素（如绕组电阻和电感、电机老化效应、动态速度和负载等）自动配置衰减模式，在慢速、混合和快速衰减之间进行切换，以实现最小的电流纹波和最高的效率。
• 智能调谐纹波控制模式：除了设置电流阈值（I_TRIP）外，还设置了一个谷值电流（I_VALLEY）。当电流达到I_TRIP时，驱动器进入慢速衰减模式，直到电流降至I_VALLEY。该模式可以实现更精确的电流调节，提高电机效率和系统性能。

（四）电荷泵

集成的电荷泵用于为高侧N沟道MOSFET提供栅极驱动电压。需要在VM和VCP引脚之间连接一个0.22μF的陶瓷电容作为存储电容，在CPH和CPL引脚之间连接一个0.022μF的陶瓷电容作为飞跨电容。

（五）线性电压调节器

器件内部集成了线性电压调节器，DVDD调节器可提供参考电压，最大负载电流为2mA。为了保证正常工作，需要在DVDD引脚和GND之间连接一个陶瓷电容进行旁路。

（六）保护电路

• VM欠压锁定（UVLO）：当VM引脚电压低于UVLO阈值时，所有输出被禁用，nFAULT引脚输出低电平。当欠压条件解除后，器件恢复正常工作。
• VCP欠压锁定（CPUV）：当VCP引脚电压低于CPUV阈值时，所有输出被禁用，nFAULT引脚输出低电平。电荷泵在这种情况下仍保持工作，欠压条件解除后，器件恢复正常工作。
• 过流保护（OCP）：当通过FET的电流超过设定值且持续时间超过tOCP（典型值为2μs）时，该H桥的FET被禁用，nFAULT引脚输出低电平。需要通过nSLEEP复位脉冲或电源循环才能恢复正常工作。
• 热关断（OTSD）：当芯片温度超过热关断阈值（TOTSD）时，H桥中的所有MOSFET被禁用，nFAULT引脚输出低电平。当结温下降到阈值以下减去滞后温度（TOTSD - THYS_OTSD）时，需要通过nSLEEP复位脉冲或电源循环才能恢复正常工作。

五、应用设计实例

（一）典型应用：驱动双向直流有刷电机

在典型应用中，将DRV8434P配置为通过H桥驱动两个外部负载（如两个直流有刷电机）。通过外部控制器向xEN/xIN1和xPH/xIN2引脚发送控制信号，控制H桥的极性和占空比，从而实现电机的正反转和速度调节。

1. 设计要求

• 电源电压（VM）：24V
• 电机绕组电阻（RL）：1.2Ω
• 电机绕组电感（LL）：2.3mH
• 开关频率（f_PWM）：30kHz
• 每个电机的调节电流（I_REG）：1.5A

2. 详细设计步骤

• 电流调节：调节电流 (I{REG}(A)=V{REFx}(V) / K_{V}(V / A))，通过设置VREFx引脚的电压来实现对电机电流的精确控制。
• 功率损耗和热计算：总功率损耗 (P{TOT}=P{COND}+P{SW}+P{Q})，其中 (P{COND}) 为功率MOSFET的导通损耗，(P{SW}) 为开关损耗，(P_{Q}) 为静态电源电流损耗。通过计算功率损耗，可以确定器件的散热需求，确保器件在安全的温度范围内工作。

（二）替代应用：驱动步进电机

要将DRV8434E/P配置为驱动步进电机，需要考虑以下几个方面：

1. 设计要求

• 电源电压（VM）：24V
• 电机绕组电阻（RL）：0.93Ω/相
• 电机绕组电感（LL）：1.9mH/相
• 电机全步角（θ_step）：1.8°/步
• 目标微步级别（n_m）：1/2步
• 目标电机速度（v）：90rpm
• 目标满量程电流（I_FS）：2A

2. 详细设计步骤

• 电流调节：满量程电流 (I{FS}(A)=V{REF}(V) / 1.32(V / A))，同时需要确保 (I{FS}{L}(Omega)+2 × R_{D S(O N)}(Omega)})，以避免电机饱和。
• 步进电机速度：根据目标电机速度、微步级别和电机全步角，计算输入波形的频率 (f{step }( steps / s)=frac{v(rpm) × 360(% / rot)}{theta{step }(% / step ) × n_{m}( steps / microstep ) × 60( s / min)})。
• 衰减模式：根据电机的运行特性和应用需求，选择合适的衰减模式，如快速衰减、混合衰减或智能调谐模式。

六、电源供应与布局建议

（一）电源供应建议

器件的输入电压范围为4.5V至48V，绝对最大额定值为50V。在每个VM引脚附近应尽可能靠近器件放置一个0.1μF的陶瓷电容进行旁路，同时还需要在VM上添加一个大容量的电容，以提供足够的能量储备，稳定电源电压。

（二）布局建议

• 旁路电容：VM引脚应使用低ESR的陶瓷电容（推荐值为0.01μF）旁路到PGND，电容应尽可能靠近VM引脚，并通过厚的走线或接地平面连接到器件的PGND引脚。DVDD引脚也需要使用低ESR的陶瓷电容（推荐值为0.47μF）旁路到地。
• 电荷泵电容：在CPL和CPH引脚之间应放置一个0.022μF的低ESR陶瓷电容，在VM和VCP引脚之间应放置一个0.22μF、16V的低ESR陶瓷电容，且这些电容应尽可能靠近相应的引脚。
• 散热设计：热PAD必须连接到系统接地，以确保良好的散热性能。同时，根据不同的封装形式，合理设计电路板的布局，以提高散热效率。

七、总结

DRV8434E/P双H桥电机驱动器以其集成度高、性能优越、功能丰富等特点，为电机驱动设计提供了一个可靠而灵活的解决方案。通过合理的应用设计和布局，能够充分发挥其优势，满足各种工业应用的需求。在实际设计过程中，我们需要根据具体的应用场景和要求，仔细选择参数和配置，确保系统的稳定性和可靠性。你在电机驱动设计中是否遇到过类似的挑战？对于DRV8434E/P的应用，你有什么独特的见解或经验吗？欢迎在评论区分享交流。