深度剖析DRV8874：N通道H桥电机驱动的卓越之选

在电子工程师的设计世界里，电机驱动芯片的选择至关重要。今天，我们就来深入剖析德州仪器（TI）的DRV8874，一款集成了N通道H桥、电荷泵、电流感应与调节以及保护电路的高性能电机驱动芯片。

文件下载：drv8874.pdf

一、DRV8874的核心特性

1. 强大的驱动能力

• 负载类型多样：DRV8874作为N通道H桥电机驱动器，能够驱动一个双向有刷直流电机，或者两个单向有刷直流电机，还能适配其他电阻性和电感性负载。
• 宽电压范围：其工作电源电压范围为4.5 - 37V，这使得它在不同的电源环境下都能稳定工作。
• 低导通电阻：该系列器件有不同的 (R_{DS(on)}) 变体，如DRV8874的高侧 + 低侧导通电阻为200mΩ，能有效降低功率损耗。
• 高输出电流：DRV8874具备6A的峰值输出电流能力，能够满足大多数电机的驱动需求。

2. 智能的电流感应与调节

• 集成电流感应：通过IPROPI引脚的内部电流镜架构实现电流感应和调节，无需外部大功率分流电阻，节省了电路板空间并降低了系统成本。
• 可选调节模式：支持逐周期或固定关断时间的电流调节模式，可根据实际需求灵活选择。

3. 灵活的输入控制模式

• 多种控制模式可选：支持PH/EN和PWM H桥控制模式，以及独立半桥控制模式，可通过PMODE引脚进行选择，满足不同的控制需求。
• 兼容多种逻辑电平：能够支持1.8V、3.3V和5V的逻辑输入，方便与各种控制器连接。

4. 超低功耗与低EMI设计

• 超低功耗睡眠模式：在 (V{VM}=24V)、(T{J}=25^{circ}C) 时，睡眠模式电流小于1µA，有效降低系统功耗。
• 低电磁干扰：采用扩频时钟技术，降低了电磁干扰，提高了系统的稳定性。

5. 全面的保护功能

• 多重保护机制：集成了欠压锁定（UVLO）、电荷泵欠压（CPUV）、过流保护（OCP）、热关断（TSD）等保护功能，确保芯片在各种异常情况下的安全。
• 自动故障恢复：具备自动故障恢复功能，故障指示灯引脚（nFAULT）可及时反馈故障信息。

二、广泛的应用领域

DRV8874的出色性能使其在众多领域得到了广泛应用，包括但不限于：

• 有刷直流电机：如各种工业和家用的有刷直流电机驱动。
• 家电设备：大、小型家用电器中的电机控制，如吸尘器、打印机、扫描仪等。
• 机器人领域：真空、人形和玩具机器人中的电机驱动。
• 智能设备：智能电表、ATM机、货币计数器和EPOS等设备中的电机控制。
• 伺服电机与执行器：为伺服电机和执行器提供精确的驱动控制。

三、芯片的详细解析

1. 内部架构与工作原理

DRV8874集成了N通道H桥、电荷泵、电流感应和比例输出、电流调节以及保护电路。电荷泵通过支持N通道MOSFET半桥和100%占空比驱动，提高了效率。内部电流镜架构实现了电流感应和调节，无需外部大功率分流电阻。

2. 引脚功能与配置

引脚名称	类型	描述
CPH	PWR	电荷泵开关节点，需连接22nF的陶瓷电容
CPL	PWR	电荷泵低侧引脚
EN/IN1	I	H桥控制输入，有内部下拉电阻
GND	PWR	设备接地
IMODE	I	电流调节和过流保护模式选择
IPROPI	O	与负载电流成比例的模拟电流输出
nFAULT	OD	故障指示输出
nSLEEP	I	睡眠模式输入
OUT1、OUT2	O	H桥输出，连接电机或其他负载
PGND	PWR	设备电源接地
PH/IN2	I	H桥控制输入，有内部下拉电阻
PMODE	I	H桥控制输入模式选择
VCP	PWR	电荷泵输出，需连接100nF的陶瓷电容
VM	PWR	4.5 - 37V电源输入
VREF	I	外部参考电压输入，用于设置内部电流调节限制
PAD	-	散热焊盘，连接系统接地

3. 控制模式详解

• PH/EN控制模式：当PMODE引脚为低电平时，设备进入PH/EN模式，可通过速度和方向接口控制H桥。
• PWM控制模式：PMODE引脚为高电平时，设备进入PWM模式，可使H桥在不将nSLEEP引脚置低的情况下进入高阻态。
• 独立半桥控制模式：PMODE引脚为高阻态时，设备进入独立半桥控制模式，可直接控制每个半桥。

4. 电流感应与调节机制

• 电流感应：IPROPI引脚输出与H桥中低侧功率MOSFET电流成比例的模拟电流，可通过外部电阻将其转换为电压，实现对负载电流的监测。
• 电流调节：通过VREF引脚和IPROPI输出电阻的组合设置电流斩波阈值，当输出电流超过阈值时，根据IMODE设置进入电流斩波模式。

5. 保护电路工作原理

• 欠压锁定（UVLO）：当VM引脚电压低于阈值时，H桥中的所有MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低。
• 电荷泵欠压（CPUV）：当VCP引脚电压低于阈值时，H桥中的所有MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低。
• 过流保护（OCP）：当输出电流超过过流阈值 (I{OCP}) 且持续时间超过 (t{OCP}) 时，H桥中的所有MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低。
• 热关断（TSD）：当芯片温度超过过热限制 (T_{TSD}) 时，H桥中的所有MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低。

四、应用案例分析

1. 典型应用电路

在典型应用中，DRV8874可配置为通过H桥驱动双向电流通过外部负载，如双向有刷直流电机。通过外部控制器的PWM和IO资源控制EN/IN1和PH/IN2引脚，实现对H桥极性和占空比的控制。

2. 设计要点与注意事项

• 电流感应与调节设计：合理选择 (R_{IPROPI}) 电阻，使其在控制器ADC的动态电压范围内，以准确测量负载电流。通过电阻分压器生成VREF电压，设置电流限制阈值。
• 功率损耗与输出电流能力计算：考虑静态电源电流损耗、功率MOSFET开关损耗和导通损耗，计算总功率损耗。根据PCB设计和外部系统条件，计算设备的输出电流和功率损耗能力，确保设备结温在规定范围内。
• 热性能设计：实际系统的热性能受PCB布局、布线、过孔数量和散热焊盘周围铜面积等因素影响。在设计时，需考虑稳态和瞬态热条件，合理设计PCB以提高散热性能。

五、布局与布线建议

1. 布局准则

• 电容选择与放置：VM到GND的旁路电容、VCP到VM的电荷泵存储电容和电荷泵飞跨电容应选用低ESR的陶瓷电容，如X5R和X7R类型，并尽量靠近芯片放置，以减小环路电感。
• 高电流路径设计：VM、OUT1、OUT2和PGND等承载高电流的线路应采用较厚的金属布线，以降低电阻和电感。
• 接地设计：PGND和GND应在PCB接地平面上直接连接，确保良好的接地。
• 散热设计：芯片的散热焊盘应通过散热过孔连接到PCB顶层接地平面和内部接地平面，以提高散热效率。

2. 布局示例

提供了HTSSOP封装的布局示例，展示了各引脚和外部元件的合理布局，有助于工程师进行实际设计。

六、总结

DRV8874以其强大的驱动能力、智能的电流感应与调节、灵活的控制模式、全面的保护功能以及低功耗和低EMI设计，成为有刷直流电机驱动的理想选择。在实际应用中，工程师需根据具体需求合理选择控制模式和参数，同时注意PCB布局和布线，以充分发挥DRV8874的性能优势。你在使用DRV8874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。