DRV8872：高效多功能有刷直流电机驱动器的设计与应用

在电机驱动领域，有刷直流电机因其结构简单、控制方便等优点被广泛应用。而一款合适的电机驱动器对于电机的稳定运行和性能发挥至关重要。今天就来详细介绍德州仪器（TI）的DRV8872有刷直流电机驱动器。

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一、产品概述

DRV8872是一款专为打印机、电器、工业设备和其他小型机器设计的有刷直流电机驱动器。它采用8引脚封装，尺寸小巧，仅为4.9×6mm ，但功能强大。其工作电压范围宽达6.5 - 45V ，能提供高达3.6A的峰值电流，足以驱动各类有刷直流电机、步进电机的一个绕组或其他负载。

二、产品特性亮点

（一）驱动能力强

DRV8872采用H桥驱动结构，由四个N沟道MOSFET组成，典型的(R_{DS(on)})（高侧 + 低侧）仅为565mΩ ，能有效降低导通损耗，提高驱动效率。其3.6A的峰值电流驱动能力，可满足大多数有刷直流电机的启动和运行需求。

（二）控制灵活

具备PWM控制接口，可通过脉冲宽度调制来精确控制电机的转速。同时，还集成了电流调节功能，基于内部参考电压和ISEN引脚电压（与通过外部感测电阻的电机电流成正比），能将电流限制在已知水平，显著降低系统功率要求和维持稳定电压所需的大容量电容，尤其适用于电机启动和堵转等工况。

（三）低功耗模式

拥有低功耗睡眠模式，当将两个逻辑输入IN1和IN2都设置为低电平时，器件进入睡眠模式，可有效降低功耗，延长设备的续航时间。

（四）故障保护与报告

集成了多种保护功能，包括VM欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）、热关断（TSD）等。当出现故障时，故障状态输出引脚nFAULT会拉低，向外部控制器报告故障信息。并且，该器件还支持自动故障恢复功能，当故障条件消除后，能自动恢复正常运行。

三、引脚配置与功能

DRV8872的引脚配置和功能设计合理，便于工程师进行电路设计和连接。	引脚名称	引脚编号	类型	描述
GND	1	PWR	逻辑地，连接到电路板地
IN1	3	I	逻辑输入，控制H桥输出，内部有下拉电阻
IN2	2	I	逻辑输入，控制H桥输出，内部有下拉电阻
ISEN	7	PWR	高电流接地路径，若使用电流调节，连接到一个低阻值、高功率额定值的电阻到地；若不使用，直接连接到地
nFAULT	4	OD	故障状态（开漏），低电平表示UVLO、TSD或OCP故障，需连接上拉电阻
OUT1	6	O	H桥输出，直接连接到电机或其他感性负载
OUT2	8	O	H桥输出，直接连接到电机或其他感性负载
VM	5	PWR	6.5 - 45V电源，需连接一个0.1µF的旁路电容到地，以及足够的大容量电容
PAD	-	-	散热焊盘，连接到电路板地，为实现良好的散热，可在多层使用大的接地平面，并使用多个附近的过孔连接这些平面

四、规格参数

（一）绝对最大额定值

在正常工作条件下，需要注意一些参数的绝对最大额定值，如电源电压（VM）为 - 0.3 - 50V ，逻辑输入电压（IN1、IN2）为 - 0.3 - 7V 等。超出这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

（二）推荐工作条件

推荐的工作条件包括VM电压为6.5 - 45V ，PWM频率为0 - 200kHz ，峰值电流为0 - 3.6A等。在这些条件下使用，能确保器件的性能和可靠性。

（三）热信息

了解器件的热信息对于散热设计至关重要。例如，DRV8872的结到环境热阻(R{θJA})为41.1°C/W ，结到电路板热阻(R{θJB})为23.1°C/W 。通过合理的散热设计，可以避免器件因过热而损坏。

五、功能详细解析

（一）桥控制

DRV8872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。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。例如，当IN1 = 0，IN2 = 1时，电机反转；当IN1 = 1，IN2 = 0时，电机正转。

（二）睡眠模式

当IN1和IN2都为低电平持续约1ms后，器件进入低功耗睡眠模式，此时输出处于高阻态，电流消耗极低。当IN1或IN2变为高电平至少5µs后，器件在50µs后恢复正常工作。

（三）电流调节

通过外部感测电阻和ISEN引脚，DRV8872可以实现电流调节功能。根据公式(I{TRIP }(A)=frac{V{TRIP }(V)}{R{ISEN }(Omega)}=frac{0.35( V)}{R{ISEN }(Omega)}) ，可以设置电机的电流限制。例如，当(R_{ISEN } = 0.16Omega)时，电机电流将被限制在2.2A。

（四）死区时间

在输出状态切换时，为防止直通现象，器件会自动插入死区时间(t_{DEAD}) ，一般为220ns。在死区时间内，输出处于高阻态，可有效保护器件。

（五）保护电路

1. VM欠压锁定（UVLO）：当VM引脚电压低于欠压锁定阈值时，H桥中的所有FET将被禁用；当VM电压上升到阈值以上时，器件恢复正常运行。
2. 过流保护（OCP）：如果输出电流超过OCP阈值(I{OCP})并持续超过(t{OCP})时间，H桥中的所有FET将被禁用一段时间(t_{RETRY}) ，之后根据INx引脚状态重新启用。如果过流故障仍然存在，该过程将重复。
3. 热关断（TSD）：当芯片温度超过安全限制时，H桥中的所有FET将被禁用；当温度下降到安全水平后，器件自动恢复正常运行。

六、应用与设计

（一）典型应用电路

DRV8872的典型应用电路包括电机、控制器、电源和一些必要的电容等元件。在设计时，需要根据电机的参数和应用需求，合理选择电源电压、感测电阻、PWM频率等参数。

（二）设计步骤

1. 电机电压选择：电机电压应根据所选电机的额定值和所需的转速来确定。较高的电压可以使电机转速更快，但也会增加电机绕组中的电流变化率。
2. 驱动电流计算：驱动电流路径通过高侧DMOS功率驱动器、电机绕组和低侧DMOS功率驱动器。功率损耗可以通过公式(P{D}=I^{2}left(R{D S( on ) Source }+R_{D S( on ) Sink }right))计算。在设计时，需要考虑PCB设计、环境温度和PWM频率等因素对最大RMS电流的影响。
3. 感测电阻选择：感测电阻应选择表面贴装器件，具有低电感、高功率额定值等特点，并尽量靠近电机驱动器放置。其功率损耗为(I_{RMS}^{2} ×R) ，在实际应用中，可根据需要选择多个标准电阻并联，以分散电流和热量。

七、布局与散热设计

（一）布局准则

在PCB布局时，应尽量减小大容量电容与电机驱动器之间的高电流路径距离，使用尽可能宽的金属走线，并在连接PCB层时使用多个过孔，以减小电感。同时，小容量电容应选择陶瓷电容，并靠近器件引脚放置。

（二）散热考虑

DRV8872具有热关断保护功能，但为了确保器件的长期稳定运行，仍需要进行合理的散热设计。可以通过将器件的散热焊盘焊接到PCB顶层接地平面，并使用多个过孔连接到底层大接地平面，利用PCB作为散热器来降低器件温度。

八、总结

DRV8872是一款功能强大、性能可靠的有刷直流电机驱动器，具有宽电压范围、高电流驱动能力、灵活的控制方式和完善的保护功能等优点。在实际应用中，工程师可以根据具体的需求，合理设计电路和布局，充分发挥该器件的性能优势。大家在使用DRV8872的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。