DRV8876 H桥电机驱动器：特性、应用与设计要点

在电机驱动领域，一款性能出色的驱动器对于系统的稳定运行至关重要。今天我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的DRV8876 H桥电机驱动器，它具有诸多优秀特性，适用于多种应用场景。

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一、DRV8876的特性亮点

1. 灵活的驱动能力

DRV8876是一款N通道H桥电机驱动器，它既可以驱动一个双向有刷直流电机，也能驱动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。这种灵活性使得它在不同的应用场景中都能大显身手。

2. 宽工作电压范围

其工作电源电压范围为4.5 - 37V，这意味着它可以适应多种不同的电源环境，无论是电池供电还是直流电源供电都能稳定工作。

3. 不同的导通电阻选项

与DRV8874相比，DRV8876的Pin to pin (R_{DS(on)}) 为700 - mΩ（高侧 + 低侧），而DRV8874为200 - mΩ（高侧 + 低侧）。不同的导通电阻可以满足不同负载的需求，设计者可以根据实际情况进行选择。

4. 高输出电流能力

DRV8876的峰值输出电流可达3.5A，能够为负载提供足够的动力支持。

5. 集成电流感测与调节

它集成了电流感测和调节功能，通过IPROPI引脚输出与负载电流成比例的电流。并且，电流调节模式（IMODE）可选，有逐周期或固定关断时间两种模式，方便根据具体应用进行配置。

6. 多种输入控制模式

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。这使得它能够适应不同的控制需求，为设计者提供了更多的灵活性。

7. 支持多种逻辑输入电压

能够支持1.8V、3.3V和5V的逻辑输入，方便与不同的控制器进行接口。

8. 超低功耗睡眠模式

在 (V{VM}=24V)、(T{J}=25^{circ}C) 的条件下，睡眠模式电流小于1μA，能够有效降低系统功耗，延长电池续航时间。

9. 低电磁干扰

采用扩频时钟技术，降低了电磁干扰（EMI），提高了系统的稳定性。

10. 集成保护功能

具备欠压锁定（UVLO）、电荷泵欠压（CPUV）、过流保护（OCP）、热关断（TSD）等多种保护功能，并且在故障发生时会通过nFAULT引脚进行指示，同时还支持自动故障恢复，大大提高了设备的可靠性。

二、应用场景广泛

DRV8876的应用场景十分丰富，涵盖了多个领域：

1. 有刷直流电机驱动

在各种有刷直流电机的应用中，如打印机、扫描仪、智能电表等设备中，DRV8876能够提供稳定的驱动电流，保证电机的正常运行。

2. 家电产品

无论是大型家电还是小型家电，如真空吸尘器、人形机器人、玩具机器人等，都可以使用DRV8876来驱动电机，实现各种功能。

3. 金融设备

在ATM机、货币计数器和EPOS等设备中，DRV8876可以驱动伺服电机和执行器，确保设备的精确操作。

三、详细功能解析

1. 整体架构与工作原理

DRV887x系列设备集成了N通道H桥、电荷泵调节器、电流感测和调节、电流比例输出以及保护电路。电荷泵的存在使得高侧和低侧N通道MOSFET都能高效工作，并且支持100%占空比。设备通过单一电源输入（VM）供电，可以直接连接电池或直流电压源。nSLEEP引脚提供超低功耗模式，在系统不工作时减少电流消耗。

2. 电流感测与调节机制

通过内部电流镜架构，在低侧功率MOSFET上实现电流感测。IPROPI引脚输出与MOSFET电流成比例的小电流，可通过连接外部电阻（(R_{IPROPI})）将其转换为比例电压。这种集成电流感测方式相比传统的外部分流电阻感测具有明显优势，它能够在驱动和制动的低侧慢衰减期间都提供电流信息，并且无需外部功率分流电阻。同时，通过VREF引脚可以在电机运行时配置关断时间PWM电流调节水平，以满足系统对负载电流的要求。

3. 控制模式详解

PH/EN控制模式（PMODE = 逻辑低）

当PMODE引脚在上电时为逻辑低时，设备进入PH/EN模式。该模式允许通过速度和方向类型的接口控制H桥，适用于需要精确控制电机速度和方向的应用。

PWM控制模式（PMODE = 逻辑高）

PMODE引脚为逻辑高时，设备进入PWM模式。在这种模式下，H桥可以在不将nSLEEP引脚置为逻辑低的情况下进入高阻态，方便进行灵活控制。

独立半桥控制模式（PMODE = Hi - Z）

当PMODE引脚为Hi - Z时，设备进入独立半桥控制模式。此模式下，每个半桥可以独立控制，适用于需要分别控制两个负载的应用。不过在该模式下，内部电流调节功能会自动禁用。

4. 保护电路

DRV8876具备完善的保护电路，能够在各种故障情况下保护设备和负载：

电源欠压锁定（UVLO）

当VM引脚的电源电压低于欠压锁定阈值时，H桥中的所有MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低。当电压恢复正常后，设备将恢复正常运行。

电荷泵欠压锁定（CPUV）

若VCP引脚的电荷泵电压低于欠压锁定阈值，H桥MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低，电压恢复后正常运行。

过流保护（OCP）

当输出电流超过过流阈值且持续时间超过设定值时，H桥MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低。过流响应可以通过IMODE引脚进行配置，有自动重试和输出锁存两种模式。

热关断（TSD）

当器件结温超过热关断阈值时，H桥MOSFET将被禁用，nFAULT引脚拉低。当温度下降到阈值以下时，设备将恢复正常运行。

四、设计要点与注意事项

1. 典型应用设计

主应用设计

在主应用中，通常使用H桥配置驱动外部负载（如直流有刷电机）。通过外部控制器的PWM和IO资源控制EN/IN1和PH/IN2引脚，设置PMODE引脚为GND以选择PH/EN控制模式。通过外部电阻分压器设置电流限制阈值，将IMODE引脚接地选择固定关断时间电流调节方案。同时，使用控制器的ADC监测 (R_{IPROPI}) 两端的电压，以监测负载电流。

替代应用设计

在替代应用中，采用双半桥配置驱动两个外部负载。将PMODE引脚浮空选择独立半桥控制模式，由于该模式下内部电流调节功能禁用，将VREF引脚连接到控制器的电源参考电压。同样，使用ADC监测 (R_{IPROPI}) 两端的电压，以监测总负载电流。

2. 电源设计

在电机驱动系统设计中，适当的本地大容量电容至关重要。大容量电容可以在电机需要大电流时提供稳定的电源，减少电压波动。但电容容量过大会增加成本和物理尺寸，因此需要根据具体应用需求进行选择。一般来说，数据手册会提供推荐的最小电容值，但实际应用中还需要进行系统级测试来确定合适的电容大小。

3. 布局设计

由于DRV887x系列设备能够驱动大电流，因此布局设计和外部元件的放置需要特别注意：

• 建议使用低ESR的陶瓷电容作为VM到GND的旁路电容、VCP到VM的电荷泵存储电容以及电荷泵飞跨电容，推荐使用X5R和X7R类型。
• 将VM电源和VCP、CPH、CPL电荷泵电容尽可能靠近设备放置，以减少环路电感。
• VM电源大容量电容可以是陶瓷或电解类型，也应靠近设备放置。
• 对于承载大电流的VM、OUT1、OUT2和PGND走线，应使用尽可能厚的金属布线。
• PGND和GND应直接在PCB接地平面上连接，不应相互隔离。
• 将设备的散热焊盘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），以提高散热效果。

五、总结

DRV8876 H桥电机驱动器以其丰富的特性、广泛的应用场景和完善的保护功能，成为电子工程师在电机驱动设计中的一个优秀选择。在实际设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择控制模式、配置电流调节参数，并注意电源和布局设计等要点，以确保设备的稳定运行和良好性能。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地了解和使用DRV8876这款驱动器。你在使用电机驱动器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。