DRV8840：一款强大的直流电机驱动IC

在电子工程师的日常工作中，电机驱动IC是一个经常会用到的关键组件。今天要给大家详细介绍的就是德州仪器（TI）的DRV8840直流电机驱动IC，它在打印机、扫描仪等自动化设备应用中表现出色。

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一、产品特性

（一）电气性能

DRV8840具有单H桥电流控制功能，工作电源电压范围为8.2 - 45V，能适应多种不同的电源环境。它采用5位电流控制，可实现多达32种电流水平的调节，满足多样化的应用需求。其MOSFET的导通电阻（HS + LS）典型值为0.4Ω，在24V、环境温度25°C的条件下，最大驱动电流可达5A。此外，芯片还内置了3.3V参考输出，方便为其他电路提供稳定的电压。

（二）接口与封装

该芯片采用并行数字控制接口，与行业标准设备兼容，便于工程师进行设计和集成。它采用热增强型表面贴装封装，有助于散热，提高芯片的稳定性和可靠性。

（三）保护功能

DRV8840具备完善的保护功能，包括过流保护（OCP）、热关断（TSD）、VM欠压锁定（UVLO）以及故障状态指示引脚（nFAULT）。这些保护机制能够有效保护芯片和电机，延长设备的使用寿命。

二、应用领域

DRV8840的应用范围非常广泛，涵盖了打印机、扫描仪、办公自动化机器、游戏机、工厂自动化以及机器人等领域。在这些应用中，DRV8840能够为电机提供稳定的驱动，确保设备的正常运行。

三、引脚配置与功能

（一）电源与接地引脚

• GND：作为设备的接地引脚，有两个引脚（14、28）。
• VM：桥A的电源引脚，需要连接到电机电源（8.2 - 45V），并且两个引脚（4、11）必须连接到相同的电源。
• V3P3OUT：3.3V稳压器输出引脚，需要用一个0.47μF、6.3V的陶瓷电容旁路到GND，可用于为VREF供电。
• CP1、CP2：电荷泵飞跨电容引脚，需要在CP1和CP2之间连接一个0.01μF、50V的电容。
• VCP：高端栅极驱动电压引脚，需要连接一个0.1μF、16V的陶瓷电容和一个1MΩ的电阻到VM。

（二）控制引脚

• PHASE：桥相位（方向）控制引脚，逻辑高电平时设置OUT1为高，OUT2为低，内部有下拉电阻。
• ENBL：桥使能引脚，逻辑高电平时使能H桥，内部有下拉电阻。
• I0 - I4：电流设置输入引脚，用于设置绕组电流为满量程的百分比，内部有下拉电阻。
• DECAY：衰减（制动）模式控制引脚，低电平为制动（慢衰减），高电平为滑行（快衰减），内部有上拉和下拉电阻。
• nRESET：复位输入引脚，低电平有效，用于初始化逻辑并禁用H桥输出，内部有下拉电阻。
• nSLEEP：睡眠模式输入引脚，逻辑高电平时使能设备，逻辑低电平时进入低功耗睡眠模式，内部有下拉电阻。

（三）状态与输出引脚

• nFAULT：故障输出引脚（开漏输出），当出现故障（过温、过流）时，引脚输出低电平。
• ISEN：桥接地/电流检测引脚，需要连接到电流检测电阻，两个引脚（6、9）必须在PCB上连接在一起。
• OUT1、OUT2：桥输出引脚，需要连接到电机绕组，两个引脚（5、10和7、8）必须在PCB上连接在一起。

四、技术参数

（一）绝对最大额定值

• VMx电源电压：-0.3 - 47V
• 数字引脚电压：-0.5 - 7V
• VREF输入电压：-0.3 - 4V
• ISENSEx引脚电压：-0.8 - 0.8V
• 峰值电机驱动输出电流（t < 1μS）：内部限制
• 连续电机驱动输出电流：0 - 5A
• 连续总功耗：见6.4节
• TJ工作虚拟结温：-40 - 150°C
• TA工作环境温度：-40 - 85°C
• Tstg存储温度：-60 - 150°C

（二）ESD额定值

• 人体模型（HBM）：±2000V
• 带电设备模型（CDM）：±500V

（三）推荐工作条件

• VM电机电源电压：8.2 - 45V
• VREF输入电压：1 - 3.5V
• V3P3OUT负载电流：0 - 1mA
• 外部施加的PWM频率：0 - 100kHz

（四）热信息

• RθJA结到环境热阻：31.6°C/W
• RθJC(top)结到外壳（顶部）热阻：15.9°C/W
• RθJB结到电路板热阻：5.6°C/W
• ψJT结到顶部表征参数：0.2°C/W
• ψJB结到电路板表征参数：5.5°C/W
• RθJC(bot)结到外壳（底部）热阻：1.4°C/W

（五）电气特性

芯片在不同的参数下有着特定的电气特性，例如在不同电源电压、不同温度条件下的电流、电压等参数。这些参数对于工程师进行电路设计和性能评估非常重要。

五、功能详解

（一）PWM电机驱动

DRV8840包含一个带有电流控制PWM电路的H桥电机驱动器。多个VM、ISEN、OUT和VREF引脚需要在PCB上连接在一起。

（二）桥控制

• PHASE引脚：控制电流通过H桥的方向，从而控制直流电机的旋转方向。
• ENBL引脚：高电平时使能H桥输出，可用于电机的PWM速度控制。
• DECAY引脚：选择桥在ENBL = 0时的行为，可选择慢衰减（制动）或快衰减（滑行）。

（三）电流调节

电机绕组中的最大电流通过固定频率的PWM电流调节或电流斩波进行调节。当H桥使能时，电流会根据绕组的直流电压和电感以一定速率上升。当电流达到斩波阈值时，桥会禁用电流，直到下一个PWM周期开始。对于直流电机，电流调节用于限制电机的启动和堵转电流。速度控制通常通过向ENBLx输入引脚提供外部PWM信号来实现。如果不需要电流调节功能，可以将ISENSE引脚直接接地，将VREF引脚连接到V3P3。

（四）衰减模式和制动

• 快衰减模式：当PWM斩波电流达到设定值时，H桥反转状态，允许绕组电流反向流动。当绕组电流接近零时，桥被禁用，以防止任何反向电流流动。
• 慢衰减模式：通过使能桥中的两个低端FET，使绕组电流再循环。
• DECAY引脚：逻辑低电平选择慢衰减，逻辑高电平选择快衰减模式。如果该引脚悬空或未驱动，则设置为混合衰减模式。

（五）消隐时间

在H桥中电流使能后，xISEN引脚的电压在固定的一段时间内被忽略，然后再启用电流检测电路。这个消隐时间固定为3.75μs，同时也设置了PWM的最小导通时间。

（六）保护电路

• 过流保护（OCP）：每个FET上的模拟电流限制电路通过移除栅极驱动来限制通过FET的电流。如果这种模拟电流限制持续时间超过OCP时间，H桥中的所有FET将被禁用，nFAULT引脚将被拉低。设备将保持禁用状态，直到施加nRESET引脚或移除并重新施加VM。
• 热关断（TSD）：如果芯片温度超过安全限制，H桥中的所有FET将被禁用，nFAULT引脚将被拉低。当芯片温度降至安全水平时，操作将自动恢复。
• 欠压锁定（UVLO）：如果VM引脚的电压在任何时候低于欠压锁定阈值电压，设备中的所有电路将被禁用，内部逻辑将被复位。当VM电压上升到UVLO阈值以上时，操作将恢复。

六、应用与设计

（一）典型应用

在典型应用中，需要考虑一些设计参数，如电源电压、电机绕组电阻、电感、目标斩波电流、检测电阻和VREF电压等。例如，在一个应用中，电源电压为24V，电机绕组电阻为3.9V，电感为2.9mH，目标斩波电流为1.5A，检测电阻为100mΩ，VREF电压为0.75V。

（二）详细设计步骤

• 电流调节：最大电流（ITRIP）由Ix引脚、VREF模拟电压和检测电阻值（RSENSE）设置。在启动有刷直流电机时，由于没有反电动势和高静转矩，可能会出现大的浪涌电流。电流调节将限制这种浪涌电流，防止启动时出现高电流。
• 检测电阻：为了获得最佳性能，检测电阻应满足表面贴装、低电感、额定功率足够高以及靠近电机驱动器等要求。检测电阻的功耗等于Irms² × R，因此在选择电阻时需要考虑电机的RMS电流和电阻的额定功率。

七、电源与布局建议

（一）电源建议

DRV8840设计用于在8.2 - 45V的输入电压范围内工作，绝对最大额定值为47V。每个VM引脚必须尽可能靠近DRV8840放置一个额定电压为VM的0.1μF陶瓷电容。此外，还需要在VM上添加一个大容量电容。

（二）布局指南

• VM引脚：每个VM终端必须使用额定电压为VM的低ESR陶瓷旁路电容（推荐值为0.1μF）旁路到GND。这些电容应尽可能靠近VM引脚放置，并通过厚走线或接地平面连接到设备GND引脚。
• CP1和CP2引脚：在CP1和CP2引脚之间必须放置一个低ESR陶瓷电容，TI推荐使用额定电压为VM的0.1μF电容。
• VM和VCP引脚：在VM和VCP引脚之间必须放置一个低ESR陶瓷电容（TI推荐值为0.47μF，额定电压为16V），并在VM和VCP之间放置一个1MΩ的电阻。
• V3P3OUT引脚：使用额定电压为6.3V的陶瓷电容将V3P3OUT旁路到地，并将该旁路电容尽可能靠近引脚放置。
• 检测电阻：检测电阻应尽可能靠近设备引脚放置，以最小化引脚和电阻之间的走线电感。

（三）热考虑

• 功率耗散：在运行直流电机时，DRV8840的平均功率耗散可以通过公式P = 2 × RDS(ON) × (IOUT)²大致估算。其中，P是一个H桥的功率耗散，RDS(ON)是每个FET的电阻，IOUT是应用于每个绕组的RMS输出电流。需要注意的是，在启动和故障条件下，电流会比正常运行电流高很多，这些峰值电流及其持续时间也需要考虑在内。
• 散热：PowerPAD™封装使用外露焊盘来散热。为了确保正常工作，该焊盘必须与PCB上的铜进行热连接，以散发热量。在多层PCB上，可以通过添加多个过孔将热焊盘连接到接地平面。在没有内部平面的PCB上，可以在PCB的任一侧添加铜面积来散热。

总之，DRV8840是一款功能强大、性能稳定的直流电机驱动IC。通过合理的设计和布局，它能够在各种自动化设备应用中发挥出色的作用。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求，充分发挥其优势，打造出更加优秀的产品。大家在使用DRV8840的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享。