德州仪器DRV8814：高效直流电机驱动的理想之选

在电子工程师的日常工作中，电机驱动设计是一个常见且关键的任务。今天，我们要深入探讨的是德州仪器（TI）公司推出的 DRV8814 直流电机驱动集成电路，它为打印机、扫描仪和其他自动化设备应用提供了集成化的电机驱动解决方案。

文件下载：drv8814.pdf

1. 产品特性

1.1 供电与电流能力强大

DRV8814 的工作电源电压范围为 8 V 至 45 V，能够适应不同的供电环境。在 24 V 电压和 (T_{A} = 25°C) 的条件下，它能提供高达 2.5 A 的最大驱动电流，为电机提供充足的动力。

1.2 双 H 桥电流控制

这款芯片集成了双 H 桥电流控制电机驱动器，可以驱动两个直流电机。具备四个等级的绕组电流控制功能，能够根据实际需求精确调节电机电流。

1.3 多衰减模式

支持慢衰减和快衰减两种模式。慢衰减模式可实现电机制动，快速停止电机运转；快衰减模式则让电机能够滑行，适用于不同的应用场景。

1.4 标准数字控制接口

采用行业标准的并行数字控制接口，方便与各种控制器进行连接，降低了系统设计的复杂度。

1.5 低功耗睡眠模式

内置低电流睡眠模式，当系统不驱动电机时，可以让芯片进入低功耗状态，节省电能。

1.6 集成参考输出

提供内置 3.3-V 参考输出，可用于为其他电路提供稳定的参考电压。

1.7 紧凑封装与保护功能

采用小封装和小尺寸布局，节省 PCB 空间。同时具备过流保护（OCP）、热关断（TSD）、VM 欠压锁定（UVLO）以及故障状态指示引脚（nFAULT）等保护功能，确保芯片在各种异常情况下的安全性和可靠性。

2. 应用场景

DRV8814 的应用十分广泛，涵盖了打印机、扫描仪、办公自动化设备、游戏机、工厂自动化以及机器人等领域。在这些应用中，DRV8814 能够稳定、高效地驱动直流电机，为设备的正常运行提供保障。

3. 产品描述

3.1 硬件结构

DRV8814 内部集成了两个 H 桥驱动器，每个输出驱动器模块由 N 沟道功率 MOSFET 配置成 H 桥，用于驱动电机绕组。在 24 V 和 25°C 的条件下，每个 H 桥可提供高达 2.5-A 峰值或 1.75-A RMS 输出电流（需适当散热）。

3.2 控制接口与功能

采用简单的并行数字控制接口，与行业标准设备兼容。衰减模式可编程，可实现电机在禁用时的制动或滑行。同时，内部设有过流保护、短路保护、欠压锁定和过温保护等关机功能，确保芯片的安全运行。

4. 引脚配置与功能

DRV8814 采用 28 引脚 HTSSOP 封装（带 PowerPAD™），其引脚功能丰富多样，可分为电源与接地、控制、状态和输出等几类，具体介绍如下。

4.1 电源与接地引脚

• GND：设备接地引脚。
• VMA 和 VMB：分别为桥 A 和桥 B 的电源引脚，需连接到电机电源（8 V 至 45 V），并通过 0.1-µF 电容旁路到 GND，同时连接到适当的大容量电容。
• V3P3OUT：3.3-V 稳压器输出引脚，需通过 0.47-μF 6.3-V 陶瓷电容旁路到 GND，可用于为 VREF 供电。
• CP1 和 CP2：电荷泵飞电容引脚，需在两者之间连接一个 0.01-μF 50-V 电容。
• VCP：高端栅极驱动电压引脚，需连接一个 0.1-μF 16-V 陶瓷电容和一个 1-MΩ 电阻到 VM。

  4.2 控制引脚

• AENBL 和 BENBL：分别用于启用桥 A 和桥 B，逻辑高电平有效。
• APHASE 和 BPHASE：分别控制桥 A 和桥 B 的相位（方向），逻辑高电平可设置输出的高低电平。
• AI0、AI1、BI0 和 BI1：用于设置桥 A 和桥 B 的电流，可实现 100%、71%、38% 和 0 的电流设置。
• DECAY：衰减（制动）模式引脚，低电平为制动（慢衰减），高电平为滑行（快衰减）。
• nRESET：复位输入引脚，低电平有效，可初始化内部逻辑并禁用 H 桥输出。
• nSLEEP：睡眠模式输入引脚，逻辑高电平启用设备，逻辑低电平进入低功耗睡眠模式。
• AVREF 和 BVREF：分别为桥 A 和桥 B 的电流设置参考输入引脚，可通过外部 DAC 或连接到参考电压（如 V3P3OUT）实现微步进控制。

  4.3 状态引脚

• nFAULT：故障指示引脚，开漏输出，当出现过温、过流等故障情况时输出逻辑低电平。

  4.4 输出引脚

• ISENA 和 ISENB：分别为桥 A 和桥 B 的接地/电流检测引脚，需连接到电流检测电阻。
• AOUT1、AOUT2、BOUT1 和 BOUT2：分别为桥 A 和桥 B 的输出引脚，需连接到电机绕组。

5. 规格参数

5.1 绝对最大额定值

• 电源电压范围：(VMx) 为 –0.3 V 至 47 V。
• 电源斜坡速率：(VMx) 最大为 1 V/µs。
• 数字引脚电压范围：–0.5 V 至 7 V。
• 输入电压 (V_{REF})：–0.3 V 至 4 V。
• (ISENSEx) 引脚电压：–0.8 V 至 0.8 V。
• 峰值电机驱动输出电流（(t < 1 μS)）：内部限制。
• 连续电机驱动输出电流：最大 2.5 A。
• 连续总功率耗散：需参考热信息。
• 工作虚拟结温范围：(T_{J}) 为 –40°C 至 150°C。
• 工作环境温度范围：(T_{A}) 为 –40°C 至 85°C。
• 存储温度：(T_{STG}) 为 –60°C 至 150°C。

  5.2 ESD 额定值

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

  5.3 推荐工作条件

• 电机电源电压范围 (V_{M})：8 V 至 45 V。
• (V_{REF}) 输入电压：1 V 至 3.5 V。
• (V3P3OUT) 负载电流 (I_{V3P3})：最大 1 mA。
• 外部施加的 PWM 频率 (f_{PWM})：最大 100 kHz。

  5.4 热信息

  芯片的热性能指标包括结到环境热阻 (R{θJA}) 为 31.6°C/W、结到外壳（顶部）热阻 (R{θJC(top)}) 为 15.9°C/W 等，这些指标对于评估芯片的散热情况至关重要。

  5.5 电气特性

  涵盖了电源、稳压器、逻辑电平输入、输出、衰减输入、H 桥 FET、电机驱动器、保护电路和电流控制等方面的参数，如 (VM) 工作电源电流 (I{VM}) 在 (V{M} = 24 V) 和 (f_{PWM} = 50 kHz) 时典型值为 5 mA 等。

6. 详细描述

6.1 概述

DRV8814 专为两个有刷直流电机设计，集成了两个 NMOS H 桥、电流检测、调节电路和详细的故障检测功能。通过 PHASE/ENBL 接口可方便地与控制器电路连接，绕组电流控制可让外部控制器调节提供给电机的电流。同时，具备两种衰减模式，可根据应用需求进行选择，还支持低功耗睡眠模式。

6.2 功能框图

从功能框图中可以看到，芯片内部包括电荷泵、内部参考和调节器、HS 栅极驱动、LS 栅极驱动等模块，各模块协同工作，实现电机的驱动和控制。

6.3 特性描述

• PWM 电机驱动器：包含两个带电流控制 PWM 电路的 H 桥电机驱动器，所有 VM 引脚需连接到电机电源电压。
• 桥控制：通过 xPHASE 输入引脚控制每个 H 桥的电流流向，从而控制电机的旋转方向；xENBL 输入引脚在高电平时启用 H 桥输出，可用于电机的 PWM 速度控制。DECAY 引脚可选择桥在 (xENBL = 0) 时的行为，实现慢衰减（制动）或快衰减（滑行）。
• 电流调节：通过固定频率的 PWM 电流调节来限制电机绕组的最大电流。当 H 桥启用时，电流会根据绕组的直流电压和电感上升，达到电流斩波阈值后，桥会禁用电流直到下一个 PWM 周期开始。可通过连接 xISENSE 引脚到地并将 xVREF 引脚连接到 V3P3 来禁用电流调节功能。PWM 斩波电流由比较器根据电流检测电阻上的电压和参考电压进行设置，参考电压通过 xVREF 引脚输入，并可通过 2 位 DAC 进行 100%、71%、38% 和 0 的电流设置。
• 衰减模式和制动：在 PWM 电流斩波期间，H 桥驱动电流通过电机绕组，达到斩波电流阈值后，可进入快衰减或慢衰减模式。快衰减模式下，H 桥反转状态使绕组电流反向流动；慢衰减模式下，通过启用桥中的两个低侧 FET 使绕组电流再循环。DECAY 引脚的状态决定了衰减模式，同时也影响桥在禁用时的操作，高电平（快衰减）可使电机滑行停止，低电平（慢衰减）可使电机快速制动。
• 消隐时间：在 H 桥启用电流后，xISEN 引脚的电压在 3.75 μs 的固定时间内被忽略，此消隐时间也设置了 PWM 的最小导通时间。
• nRESET 和 nSLEEP 操作：nRESET 引脚低电平有效时，可复位内部逻辑并禁用 H 桥驱动器；nSLEEP 引脚低电平可使设备进入低功耗睡眠状态，在此状态下 H 桥禁用、栅极驱动电荷泵停止、V3P3OUT 稳压器禁用、内部时钟停止，从睡眠模式返回时，电机驱动器需要约 1 ms 才能完全恢复正常工作。
• 保护电路：具备过流保护（OCP）、热关断（TSD）和欠压锁定（UVLO）功能。过流保护通过模拟电流限制电路限制 FET 电流，持续过流会禁用 H 桥并使 nFAULT 引脚输出低电平，需重新设置 nRESET 引脚或重新施加 VM 电源才能恢复工作；热关断在芯片温度超过安全限制时禁用 H 桥并使 nFAULT 引脚输出低电平，温度下降到安全水平后自动恢复工作；欠压锁定在 VM 引脚电压低于阈值时禁用设备内部电路并复位内部逻辑，VM 电压上升到阈值以上时恢复工作。

7. 应用与实现

7.1 应用信息

DRV8814 可用于控制两个有刷直流电机，通过 PHASE/ENBL 接口控制输出，利用内部电流调节电路实现电流控制，并通过内部保护电路和 nFAULT 引脚提供详细的故障报告。

7.2 典型应用示例

典型应用电路中，需要连接多个电容和电阻等外部元件。设计时需考虑电源电压、电机绕组电阻、电感、检测电阻值和目标满量程电流等参数。例如，在设计双有刷直流电机驱动系统时，电源电压 (V{M}) 可选择 24 V，电机绕组电阻 (R{L}) 为 3.9 Ω 等。

7.3 详细设计步骤

• 电流调节：通过公式 (I{FS}(A)=frac{xVREF(V)}{A{v} × R{SENSE }(Omega)}=frac{xVREF(V)}{5 × R{SENSE }(Omega)}) 计算满量程电流，其中 (A{v}) 为 DRV8814 的增益（5 V/V）。若要实现 (I{FS} = 1.25 A)，检测电阻 (R_{SENSE}) 为 0.2 Ω，则 xVREF 应为 1.25 V。
• 衰减模式：支持慢衰减和快衰减两种模式，通过固定频率的 PWM 方案调节电机绕组电流。当电机绕组电流达到斩波阈值后，芯片会将绕组置于相应的衰减模式，直到 PWM 周期结束。消隐时间 (t{BLANK}) 定义了电流斩波的最小驱动时间，在此期间 (I{TRIP}) 被忽略，绕组电流可能会超过阈值。
• 检测电阻：检测电阻的功率耗散为 (I_{rms}^{2} × R)，如 rms 电机电流为 2 A，使用 100-mΩ 检测电阻时，电阻耗散功率为 0.4 W。为了降低功耗和成本，可使用多个标准电阻并联的方式。

8. 电源供应建议

8.1 大容量电容

DRV8814 设计工作在 8 V 至 45 V 的输入电压范围内，需在 VMA 和 VMB 引脚附近分别放置两个 0.1-μF 的陶瓷电容进行局部去耦。此外，还需要根据应用需求添加适当的大容量电容，其大小取决于电源类型、可接受的电源电压纹波、电源布线中的寄生电感、电机类型、电机启动电流和制动方法等因素。如果局部大容量电容过小，系统可能会因电机的过大电流需求或放电而导致电压变化，因此需要进行系统级测试来确定合适的电容大小。

8.2 电源和逻辑时序

DRV8814 没有特定的上电顺序，数字输入信号可以在 VMx 施加之前存在。VMx 施加后，芯片会根据控制引脚的状态开始工作。

9. 布局设计

9.1 布局指南

• VMA 和 VMB 引脚需通过低 ESR 陶瓷旁路电容（推荐值为 0.1-μF，额定电压为 VMx）旁路到 GND，电容应尽可能靠近引脚，并使用厚走线或接地平面连接到设备的 GND 引脚。
• 需使用适当的大容量电容将 VMA 和 VMB 引脚旁路到地，可选择电解电容并将其放置在靠近 DRV8814 的位置。
• 在 CPL 和 CPH 引脚之间放置一个低 ESR 陶瓷电容（推荐值为 0.01-μF，额定电压为 VMx），并尽可能靠近引脚。
• 在 VMA 和 VCP 引脚之间放置一个低 ESR 陶瓷电容（推荐值为 0.1-μF，额定电压为 16 V），并靠近引脚，同时在 VCP 和 VMA 之间放置一个 1-MΩ 电阻。
• 使用额定电压为 6.3 V 的陶瓷电容将 V3P3 旁路到地，并将旁路电容靠近引脚放置。

  9.2 布局示例

  文档中提供了 DRV8814 的布局示例，展示了电容、电阻等元件的放置位置，为实际设计提供了参考。

  9.3 热考虑

• 热保护：DRV8814 具备热关断（TSD）功能，当芯片温度超过约 150°C 时，设备将被禁用，直到温度下降到安全水平。如果芯片频繁进入热关断状态，可能意味着存在过度功率耗散、散热不足或环境温度过高等问题。
• 功率耗散：芯片的功率耗散主要由输出 FET 的电阻 (R{DS(ON)}) 决定，可通过公式 (P{TOT } = 4 × R{DS(ON)} timesleft(I{OUT(RMS) }right)^{2}) 大致估算，其中 (I{OUT(RMS)}) 约为满量程输出电流设置的 0.7 倍。由于 (R{DS(ON)}) 会随温度升高而增加，因此在设计散热片时需要考虑这一因素。
• 散热设计：PowerPAD™ 封装采用外露焊盘散热，需将该焊盘与 PCB 上的铜层进行热连接。在多层 PCB 上有接地平面时，可通过添加多个过孔将散热焊盘连接到接地平面；在没有内部平面的 PCB 上，可在 PCB 两侧添加铜面积来散热，若铜面积在 PCB 另一侧，可使用热过孔传递