DRV8871：高性能有刷直流电机驱动芯片的深度解析

在电子工程师的日常工作中，电机驱动芯片的选择至关重要，它直接影响到电机的性能和整个系统的稳定性。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的DRV8871有刷直流电机驱动芯片。

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1. 芯片特性亮点

1.1 高适应性的驱动能力

DRV8871是一款H桥电机驱动器，它的应用范围十分广泛，可以驱动一台直流电机、步进电机的一个绕组或者其他负载。其6.5 - 45V的宽工作电压范围，让它能够适应多种不同的电源环境，无论是小型设备还是工业级应用，都能轻松应对。

1.2 出色的电气性能

典型的565 - mΩ (R_{DS(on)})（高侧 + 低侧），有效降低了导通损耗，提高了能源效率。3.6 - A的峰值电流驱动能力，能够满足大多数电机的启动和运行需求。

1.3 灵活的控制方式

采用PWM控制接口，工程师可以方便地通过脉冲宽度调制来控制电机的速度。而且，它还具备无检测电阻的电流调节功能，这不仅简化了电路设计，还降低了成本。

1.4 低功耗与小封装

低功耗睡眠模式的设计，在电机不需要运行时可以大大降低功耗，延长设备的续航时间。同时，其8 - 引脚HSOP封装搭配PowerPAD™，尺寸仅为4.9 × 6 mm，节省了电路板空间，非常适合对体积有严格要求的应用。

1.5 完善的保护机制

集成了多种保护功能，如VM欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）、热关断（TSD）以及自动故障恢复功能，确保了芯片在各种异常情况下的安全性和可靠性，减少了设备损坏的风险。

2. 芯片应用场景

DRV8871的应用场景丰富多样，涵盖了打印机、家电、工业设备以及其他机电一体化应用等领域。在打印机中，它可以精确控制打印头的移动；在家电中，能够驱动风扇、水泵等电机；在工业设备里，为各种小型机器提供动力支持。

3. 芯片详细剖析

3.1 功能概述

DRV8871专为打印机、家电、工业设备和其他小型机器中的有刷直流电机驱动而设计。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，可实现电机的双向控制，峰值电流高达3.6A。输入可以进行脉冲宽度调制来控制电机速度，并且有多种电流衰减模式可供选择。当两个输入都置低时，芯片进入低功耗睡眠模式。

3.2 引脚功能

引脚	名称	类型	描述
GND	1	PWR	逻辑地，连接到电路板地
ILIM	4	I	电流限制控制，连接一个电阻到地以设置电流斩波阈值
IN1、IN2	3、2	I	逻辑输入，控制H桥输出，内部有下拉电阻
OUT1、OUT2	6、8	O	H桥输出，直接连接到电机或其他感性负载
PGND	7	PWR	大电流接地路径，连接到电路板地
VM	5	PWR	6.5 - V至45 - V电源，需连接0.1 - µF旁路电容到地以及足够的大容量电容
PAD	-	-	散热焊盘

3.3 规格参数

3.3.1 绝对最大额定值

在正常工作的自由空气温度范围内，电源电压（VM）的范围是 - 0.3 - 50V，逻辑输入电压（IN1、IN2）为 - 0.3 - 7V，连续相节点引脚电压（OUT1、OUT2）为 - 0.7 - VM + 0.7V，输出电流（100%占空比）最大为3.5A，工作结温范围是 - 40 - 150°C，存储温度范围是 - 65 - 150°C。需要注意的是，超过这些绝对最大额定值可能会对芯片造成永久性损坏。

3.3.2 ESD额定值

人体模型（HBM）的ESD额定值为±6000V，带电设备模型（CDM）的ESD额定值为±750V，这表明芯片具有一定的静电防护能力，但在使用过程中仍需注意静电防护措施。

3.3.3 推荐工作条件

推荐的电源电压（VM）为6.5 - 45V，逻辑输入电压（IN1、IN2）为0 - 5.5V，PWM频率为0 - 200kHz，峰值输出电流为0 - 3.6A，工作环境温度为 - 40 - 125°C。在这些条件下，芯片能够稳定可靠地工作。

3.3.4 热信息

芯片的热阻参数对于散热设计非常重要。例如，结到环境的热阻（RθJA）为41.1°C / W，结到电路板的热阻（RθJB）为23.1°C / W等。了解这些参数有助于工程师合理设计散热方案，确保芯片在正常温度范围内工作。

3.4 特性描述

3.4.1 桥控制

DRV8871的输出由四个N沟道MOSFET组成，通过两个逻辑输入IN1和IN2进行控制。根据不同的输入组合，可以实现电机的正转、反转、制动和滑行等功能。输入可以设置为静态电压实现100%占空比驱动，也可以进行脉冲宽度调制实现可变电机速度。

3.4.2 睡眠模式

当IN1和IN2都为低电平持续约1ms时，芯片进入低功耗睡眠模式，此时输出保持高阻态，电流消耗仅为微安级。当IN1或IN2变为高电平至少5µs后，芯片在50µs后恢复正常工作。

3.4.3 电流调节

芯片通过连接到ILIM引脚的标准电阻来限制输出电流，计算公式为 (I{TRIP }(A)=frac{V{LLIM }(kV)}{R{LLIM}(k Omega)}=frac{64(kV)}{R{LLIM}(k Omega)})。当达到电流限制值时，芯片会通过启用两个低侧FET来实现缓慢电流衰减，持续时间约为25µs。

3.4.4 死区时间

在输出从高电平切换到低电平或从低电平切换到高电平时，会自动插入死区时间，以防止直通现象的发生。死区时间（tDEAD）约为220ns。

3.4.5 保护电路

芯片具备完善的保护电路，包括VM欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）和热关断（TSD）。当出现故障时，H桥驱动器会被禁用，故障排除后会自动恢复正常工作。

3.5 设备功能模式

3.5.1 PWM带电流调节

这种模式充分利用了芯片的所有功能。将电流限制值（ITRIP）设置在正常工作电流之上，既能保证电机有足够的启动时间，又能将电流限制在所需水平。通过调节一个输入的占空比来控制电机速度，另一个输入保持静态，通常在关断时间使用制动/缓慢衰减模式。

3.5.2 PWM不带电流调节

如果不需要电流调节功能，可以在ILIM引脚连接一个15 - kΩ至18 - kΩ的电阻。这种模式下，芯片能够提供高达3.6A的峰值电流，但如果电流超过该值，可能会触发过流保护或热关断。

3.5.3 静态输入带电流调节

将IN1和IN2设置为高电平或低电平实现100%占空比驱动，通过电流限制值（ITRIP）来控制电机的电流、速度和扭矩。

3.5.4 VM控制

在某些系统中，可以通过改变VM电压来调节电机速度。

4. 应用与实现

4.1 典型应用

DRV8871通常用于驱动一台有刷直流电机。典型的应用电路中，需要连接合适的电源、电机和控制信号。例如，电源电压范围为6.5 - 45V，同时需要连接0.1 - µF的旁路电容和足够的大容量电容来稳定电源。

4.2 设计要求与步骤

在设计过程中，需要考虑电机的电压、RMS电流、启动电流、电流跳闸点、ILIM电阻和PWM频率等参数。例如，选择合适的电机电压可以根据电机的额定参数和所需的转速来确定，较高的电压可以使电机转速更快，但也会增加电流变化率。

4.3 应用曲线

文档中提供了一些应用曲线，如不同电压下的电流上升曲线、电流调节曲线和过流保护曲线等。这些曲线可以帮助工程师更好地了解芯片在不同条件下的性能，从而进行更优化的设计。

5. 电源与布局建议

5.1 电源建议

在电机驱动系统设计中，合适的本地大容量电容至关重要。它可以减少电源电压的波动，确保电机能够稳定地获得所需的电流。电容的选择需要考虑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、可接受的电压纹波等因素。

5.2 布局建议

5.2.1 布局准则

大容量电容应尽量靠近电机驱动芯片，以减少高电流路径的长度。连接的金属走线应尽可能宽，并且在连接电路板层时使用多个过孔，以降低电感。小值电容应使用陶瓷电容，并靠近芯片引脚放置。高电流设备输出应使用宽金属走线，芯片的散热焊盘应焊接到电路板顶层接地平面，并使用多个过孔连接到大型底层接地平面，以提高散热效率。

5.2.2 布局示例

文档中提供了推荐的布局和元件放置示例，工程师可以参考这些示例进行实际的电路板设计。

5.2.3 热考虑

芯片具备热关断功能，如果芯片温度超过约175°C，芯片会自动禁用，直到温度降至安全范围。因此，在设计过程中需要考虑散热问题，确保芯片的温度在正常范围内。

5.2.4 功耗计算

芯片的功耗主要由输出FET的导通电阻（(R{DS(on)})）决定。可以使用公式 (Power approx I{RMS}^{2} timesleft(right. High - side left.R{DS(ON)}+ Low - side left.R{DS(ON)}right)right)) 来估算平均功耗。在启动时，电流会比正常运行时高很多，因此需要考虑峰值电流及其持续时间。

6. 设备与文档支持

6.1 文档支持

德州仪器提供了丰富的文档资源，包括相关的应用笔记、评估模块文档等。这些文档可以帮助工程师更好地了解芯片的性能和使用方法。

6.2 社区资源

TI E2E™在线社区是一个很好的交流平台，工程师可以在上面提问、分享知识、探索想法和解决问题。同时，TI还提供了设计支持工具和技术支持联系方式，方便工程师获取帮助。

6.3 静电放电注意事项

由于芯片的内置ESD保护有限，在存储或处理芯片时，应将引脚短路或放置在导电泡沫中，以防止MOS栅极受到静电损坏。

总结

DRV8871是一款性能出色、功能丰富的有刷直流电机驱动芯片，它在宽电压范围、高电流驱动、灵活控制和完善保护等方面表现优异。通过合理的电源设计和电路板布局，能够充分发挥其性能优势，为各种电机驱动应用提供可靠的解决方案。作为电子工程师，在选择电机驱动芯片时，DRV8871无疑是一个值得考虑的选项。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。