解析 DRV8701 有刷直流电机全桥栅极驱动器的特性与应用

在电机驱动领域，各类先进的驱动芯片不断涌现，为工程师们提供了更多的选择和设计思路。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）推出的 DRV8701 有刷直流电机全桥栅极驱动器，它在众多应用场景中都展现出了卓越的性能。

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1. 产品概述

DRV8701 是一款单 H 桥栅极驱动器，利用四个外部 N 沟道 MOSFET 来驱动 12V 至 24V 的双向有刷直流电机。其 5.9V 至 45V 的宽工作电源电压范围，使其能够适应多种不同的电源环境。该芯片提供了 PH/EN（DRV8701E）或 PWM（DRV8701P）两种控制接口选项，方便与控制器电路进行简单的连接。内部集成的检测放大器可实现可调电流控制，并且采用固定关断时间 PWM 电流斩波技术来调节绕组电流，有效限制电机的浪涌电流。

同时，芯片具备低功耗睡眠模式，仅消耗 9μA 的电流，通过拉低 nSLEEP 引脚即可开启该模式。此外，还集成了两个 LDO 稳压器（AVDD 为 4.8V，最大输出负载 30mA；DVDD 为 3.3V，最大输出负载 30mA）为外部组件供电。在封装方面，采用 24 引脚的 VQFN（PowerPAD™）封装，尺寸为 4.0×4.0×0.9mm，体积小巧，节省了 PCB 空间。

2. 关键特性详解

2.1 桥接控制

DRV8701E 通过 PH/EN 接口进行控制，DRV8701P 则采用 PWM（IN1/IN2）接口。以驱动单个有刷直流电机为例，不同的输入组合会使 H 桥处于不同的状态，如正向驱动、反向驱动、制动等。例如，在 DRV8701E 中，当 nSLEEP 为高电平、EN 为高电平且 PH 为高电平时，电机实现正向驱动；当 PH 为低电平时，则为反向驱动。这种清晰的逻辑控制方式，让工程师能够轻松实现电机的正反转控制。

2.2 半桥操作

DRV8701 还支持半桥操作模式。在这种模式下，只需将 GH1 和 GL1 断开连接，并从 SH1 连接一个 1/10W、330Ω、5%的电阻到 GND 即可。对于 DRV8701E，通过将 PH 引脚拉低进行控制；对于 DRV8701P，同样有相应的控制逻辑。这种灵活的操作模式，为一些特定的应用场景提供了更多的可能性。

2.3 电流调节

电机绕组中的最大电流通过固定关断时间的 PWM 电流调节（即电流斩波）来进行调节。当 H 桥处于正向或反向驱动状态时，电流会根据绕组的直流电压和电感以一定的速率上升。当电流达到斩波阈值后，桥接进入制动（低侧慢衰减）模式，直到关断时间 (t{OFF}) 结束。在实际设计中，我们可以通过选择合适的检测电阻值和在 VREF 引脚设置电压来设定斩波电流。例如，使用 50mΩ 的检测电阻，当 (V{REF}) 为 3.3V 时，满量程斩波电流将达到 3.25A。这种电流调节功能对于限制电机的启动和堵转电流非常有效，能够保护电机和驱动电路。

2.4 放大器输出 SO

SO 引脚输出的模拟电压等于 SP 和 SN 引脚之间电压乘以放大器增益 (A{V})（在 DRV8701 中 (A{V}) 为 20V/V），该电压仅在正向或反向驱动时有效。通过这个引脚，系统控制器可以准确测量电机电流。例如，当 SP 和 SN 为 0V 时，SO 输出放大器的失调电压 (V_{OFF})。不过需要注意的是，如果 SP 和 SN 之间的电压超过 1V，芯片会标记过流情况。

2.5 PWM 电机栅极驱动器

DRV8701 内部的栅极驱动器直接驱动 N 沟道 MOSFET，从而驱动电机电流。其中，高端栅极驱动由电荷泵提供，低端栅极驱动电压由内部稳压器产生。通过 IDRIVE 引脚可以调节栅极驱动器的峰值驱动电流，峰值源电流可以设置为 6mA、12.5mA、25mA、100mA 或 150mA，峰值灌电流约为峰值源电流的 2 倍。在选择栅极驱动强度时，需要确保所选电流足够高，以便在 (t_{DRIVE}) 期间完全对栅极电容进行充电和放电，否则会导致 FET 中产生过多的功率损耗。

2.6 IDRIVE 引脚

IDRIVE 引脚的设置非常关键，它可以通过设置电阻值或施加电压来调整 H 桥输出（SHx 引脚）的上升和下降时间。不同的 IDRIVE 电阻设置会对应不同的源电流和灌电流。例如，将 IDRIVE 连接到 GND 时，选择最低的驱动设置，源电流为 6mA，灌电流为 12.5mA；如果该引脚悬空，则选择 100mA 源电流和 200mA 灌电流的设置。当 IDRIVE 短路到 AVDD 时，高端 FET 的 (V_{DS}) 过流监测将被禁用，此时栅极驱动器配置为 25mA 源电流和 50mA 灌电流。

2.7 保护电路

DRV8701 具备完善的保护电路，能够有效保护芯片和电机免受各种异常情况的损害。

• VM 欠压锁定（UVLO）：当 VM 引脚电压低于 UVLO 阈值时，H 桥中的所有 FET 被禁用，电荷泵和 AVDD 也被禁用，nFAULT 引脚被拉低。只有当 VM 电压上升到 UVLO 阈值以上时，操作才会恢复。
• VCP 欠压锁定（CPUV）：若 VCP 引脚电压低于电荷泵欠压阈值，H 桥中的所有 FET 被禁用，nFAULT 引脚被拉低。当 VCP 电压上升到阈值以上时，操作恢复。
• 过流保护（OCP）：通过监测外部 FET 上的 (V{DS}) 电压降来检测过流情况。如果驱动的 FET 上的电压超过过流跳闸阈值（(V{DS OCP})）且持续时间超过 OCP 消隐时间（(t{OCP})），则会检测到 OCP 事件，H 桥中的所有 FET 被禁用，nFAULT 引脚被拉低。经过 OCP 重试周期（(t{RETRY})）后，驱动器重新启用。
• 预驱动器故障（PDF）：监测 GHx 和 GLx 引脚，如果在 (t{DRIVE}) 之后，外部 FET 栅极电压没有上升到 1V 以上（源电流时）或下降到 1V 以下（灌电流时），则检测到预驱动器故障，H 桥中的所有 FET 被禁用，nFAULT 引脚被拉低。经过重试周期（(t{RETRY})）后，驱动器重新启用。
• 热关断（TSD）：当芯片的管芯温度超过 (T{TSD}) 时，H 桥中的所有 FET 被禁用，电荷泵关闭，AVDD 被禁用，nFAULT 引脚被拉低。当管芯温度下降到 (T{TSD}-T_{HYS}) 以下时，操作自动恢复。

3. 应用设计与注意事项

3.1 有刷直流电机控制应用

在设计有刷直流电机控制系统时，首先需要根据系统的需求确定设计参数，如标称电源电压、电源电压范围、FET 的总栅极电荷和栅极 - 漏极电荷、目标 FET 栅极上升时间以及电机电流斩波水平等。然后按照以下步骤进行设计：

• 外部 FET 选择：根据电荷泵容量和输出 PWM 频率来选择合适的 FET。例如，在 (VM = 7V)（(I{VCP}=8mA)）的系统中，使用最大 PWM 频率为 40kHz 时，DRV8701 可以支持 (Q{G}<200nC) 的 FET。
• IDRIVE 配置：根据 FET 的栅极电荷来选择 IDRIVE。对于已知栅极 - 漏极电荷（(Q{GD})）和期望上升时间（RT）的 FET，可以通过 (IDRIVE >frac{Q{GD}}{RT}) 来选择合适的 IDRIVE。例如，当 (Q_{GD}) 为 2.3nC，期望上升时间在 100 到 300ns 之间时，可以选择 IDRIVE 在 7.7 到 23mA 之间，最终可以选择 12.5mA 源电流（25mA 灌电流），此时需要从 IDRIVE 引脚到 GND 连接一个 33kΩ 的电阻。
• 电流斩波配置：根据所需的斩波电流，选择合适的检测电阻值和 VREF 电压。例如，若期望斩波电流为 3A，选择 (R_{SENSE}=50mΩ) 时，VREF 应为 3.05V。可以通过创建一个从 AVDD（4.8V）的电阻分压器来设置 (VREF ≈3V)，设置 (R2 = 3.3kΩ)，(R1 = 2kΩ)。

3.2 电源供应

DRV8701 设计用于在 5.9V 至 45V 的输入电压供应（VM）范围内工作。在设计电源电路时，需要在靠近 DRV8701 的位置放置一个额定为 VM 的 0.1μF 陶瓷电容器，同时在 VM 上还需要至少一个 10μF 的大容量电容器。外部 H 桥 FET 的旁路可能需要额外的大容量电容。大容量电容的大小需要根据系统的具体需求来确定，例如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、电机类型以及电机制动方法等。一般来说，适当增加大容量电容有助于稳定电机电压，但会增加成本和物理尺寸。

3.3 PCB 布局

合理的 PCB 布局对于 DRV8701 的性能至关重要。以下是一些布局准则：

• 旁路电容：使用额定为 VM 的 0.1μF 低 ESR 陶瓷旁路电容将 VM 引脚旁路到 GND，并尽可能靠近 VM 引脚放置，同时使用厚迹线或接地平面连接到器件的 GND 引脚。使用额定为 VM 的大容量电容将 VM 引脚旁路到地，该电容可以是电解电容，其值至少为 10μF，并应尽量缩短通过外部 FET 的高电流路径的距离。
• 电荷泵相关电容：在 CPL 和 CPH 引脚之间放置一个 0.1μF 额定为 VM 的低 ESR 陶瓷电容，并尽可能靠近引脚。在 VM 和 VCP 引脚之间放置一个 1μF 额定为 16V 的低 ESR 陶瓷电容，并尽可能靠近引脚。
• 其他旁路电容：使用额定为 6.3V 的陶瓷电容将 AVDD 和 DVDD 旁路到地，并尽可能靠近引脚放置。
• 布线：使用单独的迹线将 SP 和 SN 引脚连接到 (R_{SENSE}) 端子。如果需要，可以按照推荐的方式排列外部 NMOS FET，以方便布线，并将 SH2 和 SH1 网络连接到电机。

4. 结语

DRV8701 作为一款功能强大的有刷直流电机全桥栅极驱动器，凭借其丰富的特性、灵活的控制方式和完善的保护功能，在工业、机器人、智能家居等多个领域都有广阔的应用前景。工程师们在使用该芯片进行设计时，需要深入理解其各项特性和参数，结合具体的应用场景进行合理的设计和布局，以充分发挥其性能优势，为电机驱动系统带来更高效、稳定的运行体验。

希望通过本文的介绍，能让大家对 DRV8701 有更深入的了解。在实际应用中，你是否也遇到过一些与 DRV8701 相关的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。