DRV8876N H桥电机驱动器：特性、应用与设计要点

在电子工程师的日常设计中，电机驱动器是一个关键的组件，它直接影响着电机的性能和系统的稳定性。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的DRV8876N H桥电机驱动器，看看它有哪些特性、适用于哪些应用场景，以及在设计过程中需要注意的要点。

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一、DRV8876N特性概览

1. 广泛的负载驱动能力

DRV8876N是一款N通道H桥电机驱动器，它不仅可以驱动一个双向有刷直流电机或两个单向有刷直流电机，还能应对其他电阻性和电感性负载。这使得它在多种应用场景中都能发挥作用。

2. 宽工作电压范围

其工作电源电压范围为4.5V至37V，能够适应不同的电源环境，为设计提供了更大的灵活性。

3. 高输出电流能力

具备高达3.5A的峰值输出电流能力，可以满足大多数电机的驱动需求。

4. 可选输入控制模式

通过PMODE引脚，可选择PH/EN和PWM H桥控制模式，以及独立半桥控制模式，方便工程师根据具体应用选择最合适的控制方式。

5. 低功耗睡眠模式

在睡眠模式下，当(V{VM}=24V)、(T{J}=25^{circ}C)时，功耗低于1µA，有效降低了系统的功耗。

6. 低电磁干扰

采用扩频时钟技术，降低了电磁干扰（EMI），提高了系统的电磁兼容性。

7. 集成保护功能

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，还具备自动故障恢复和故障指示引脚（nFAULT），有效保护了设备和负载。

二、应用领域

DRV8876N的应用范围非常广泛，涵盖了多个领域：

• 有刷直流电机：在各种工业和消费级有刷直流电机驱动中都能使用。
• 家电：如大小型家用电器，像吸尘器、人形机器人和玩具机器人等。
• 办公设备：打印机和扫描仪等。
• 智能仪表：智能电表等。
• 金融设备：ATM机、点钞机和电子销售点（EPOS）设备。
• 伺服电机和执行器：为其提供稳定的驱动。

三、器件详细描述

1. 内部结构

DRV8876N集成了N通道H桥、电荷泵和保护电路。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。该系列器件有不同的(R_{DS(on)})变体，可在最小设计更改的情况下支持不同负载。

2. 功能模式

• 活动模式：当VM引脚的电源电压超过欠压阈值(V{UVLO})，nSLEEP引脚为高电平，且经过(t{WAKE})时间后，器件进入活动模式。此时，H桥、电荷泵和内部逻辑处于活动状态，准备接收输入信号。
• 低功耗睡眠模式：将nSLEEP引脚置为低电平，经过(t_{SLEEP})时间后，器件进入低功耗睡眠模式。在此模式下，H桥、电荷泵、内部5V稳压器和内部逻辑均被禁用，电流消耗极低。
• 故障模式：当遇到故障时，器件进入故障模式，以保护自身和输出负载。故障条件包括欠压、过流、过热等，nFAULT引脚会拉低以指示故障。当故障条件消除后，器件将重新进入活动模式。

3. 控制模式

• PH/EN控制模式（PMODE = 逻辑低）：适用于需要速度和方向控制的应用，通过EN和PH引脚控制H桥的状态。
• PWM控制模式（PMODE = 逻辑高）：允许H桥在不将nSLEEP引脚置低的情况下进入高阻态，方便进行PWM控制。
• 独立半桥控制模式（PMODE = Hi - Z）：可直接控制每个半桥，支持高端慢衰减或驱动两个独立负载。

4. 保护电路

• VM电源欠压锁定（UVLO）：当VM引脚的电源电压低于欠压锁定阈值(V_{UVLO})时，H桥中的所有MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低。当欠压条件消除且VM电压高于阈值时，恢复正常工作。
• VCP电荷泵欠压锁定（CPUV）：当VCP引脚的电荷泵电压低于欠压锁定阈值(V_{CPUV})时，H桥中的所有MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低。当欠压条件消除且VCP电压高于阈值时，恢复正常工作。
• OUTx过流保护（OCP）：每个MOSFET上的模拟电流限制电路可限制器件的峰值电流。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。可通过IMODE引脚配置过流响应模式，包括自动重试和输出锁存关闭。
• 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。当温度下降到(T{TSD})阈值以下时，恢复正常工作。

四、应用与设计要点

1. 典型应用

• 双向电流控制：可配置为使用H桥驱动外部负载（如直流有刷电机），通过PWM和IO资源控制H桥的极性和占空比。
• 双单向电流控制：使用双半桥配置驱动两个外部负载，每个半桥的占空比由外部控制器的PWM资源控制。

2. 设计要求

在设计过程中，需要考虑以下参数：

• 电源电压：电机和驱动器的电源电压(V{M})，以及控制器的电源电压(V{CC})。
• 输出电流：输出RMS电流(I{RMS})和峰值电流(I{PEAK})。
• 开关频率：PWM开关频率(f_{PWM})。
• 温度：PCB环境温度(T{A})和器件最大结温(T{J})。
• 热阻：器件结到环境的热阻(R_{theta JA})。

3. 详细设计步骤

• 功耗和输出电流能力计算：总功耗由静态电源电流耗散、功率MOSFET开关损耗和功率MOSFET(R_{DS(on)})（导通）损耗组成。通过计算这些损耗，可以验证预期功耗和器件结温是否在设计目标范围内。
• 热性能设计：考虑稳态和瞬态热条件，包括不同层数PCB的铜面积、铜厚度、过孔数量等因素对热性能的影响。

4. 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非常重要。需要根据电机或负载所需的最大电流、电源的电容和供电能力、电源与电机系统之间的寄生电感、系统可接受的电压纹波等因素来确定电容的大小。

5. 布局设计

由于DRV8876N是集成功率MOSFET器件，能够驱动大电流，因此在布局设计和外部组件放置时需要特别注意：

• 电容选择：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使用低ESR陶瓷电容，推荐X5R和X7R类型。
• 电容放置：VM电源和VCP、CPH、CPL电荷泵电容应尽可能靠近器件，以减小环路电感。VM电源大容量电容可使用陶瓷或电解电容，也应靠近器件放置。
• 大电流走线：VM、OUT1、OUT2和PGND承载从电源到输出再返回地的大电流，应使用尽可能厚的金属走线。
• 接地连接：PGND和GND应在PCB接地平面上直接连接，不应相互隔离。
• 散热设计：器件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），以最大化PCB散热效果。

五、结语

DRV8876N H桥电机驱动器凭借其丰富的特性、广泛的应用场景和完善的保护功能，为电子工程师提供了一个可靠的电机驱动解决方案。在设计过程中，我们需要充分考虑其各种参数和特性，合理布局和选择外部组件，以确保系统的性能和稳定性。希望本文能为工程师们在使用DRV8876N进行设计时提供一些有用的参考。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。