A4954双全桥DMOS PWM电机驱动器：特性、应用与设计要点

在电机驱动领域，一款性能出色的驱动器对于电机的稳定运行和高效控制至关重要。今天我们就来深入了解一下Allegro公司的A4954双全桥DMOS PWM电机驱动器，探讨它的特性、工作原理以及应用设计中的要点。

文件下载：APEK4954ELP-01-T-DK.pdf

一、A4954概述

A4954专为两个直流电机的脉冲宽度调制（PWM）控制而设计，能够提供高达±2A的峰值输出电流，工作电压可达40V。它采用16引脚TSSOP封装，带有外露散热焊盘（后缀LP），具有低导通电阻（(R_{DS (on) })）输出，可有效降低功耗。

二、主要特性与优势

（一）低导通电阻输出

A4954的输出采用低 (R_{DS (on) }) 的N沟道DMOS驱动器，能够有效降低导通损耗，提高效率。这对于需要长时间运行的电机系统来说，能够显著降低功耗，延长电池续航时间。

（二）多重保护功能

1. 过流保护（OCP）：具备电机短路保护、电机引线接地短路保护和电机引线接电池短路保护等功能，能够有效防止因短路故障对芯片造成损坏。当检测到短路时，芯片会锁存故障并禁用输出，只有通过退出低功耗待机模式或对VBB电源进行循环操作才能清除故障锁存。
2. 内部欠压锁定（UVLO）：可防止输出驱动器在低于UVLO阈值的电压下开启，确保芯片在电压不足时不会误操作，保护芯片和电机。
3. 交叉电流保护：在桥路切换时，通过设置交叉延迟（(t_{COD})），防止桥路出现直通现象，提高系统的可靠性。
4. 热关断保护：当芯片温度升高到约160°C时，全桥输出将被禁用，直到内部温度下降到低于热关断滞后温度（(T_{TSDhys})）15°C。

（三）低功耗待机模式

当所有四个输入（INx）引脚低电平持续超过1ms时，A4954将进入低功耗待机模式。在该模式下，大部分内部电路（包括电荷泵和稳压器）将被禁用，以降低功耗。从待机模式恢复时，需要等待电荷泵达到稳定电压（最大延迟30µs）后再向设备发送PWM命令。

（四）可调PWM电流限制

通过选择合适的电流检测电阻 (R{Sx}) 和VREFx引脚的电压，可以设置电流限制的最大值。最大电流限制值 (I{TripMAX }) 由公式 (I{TripMAX }=frac{V{REF}}{A{V} × R{S}}) 确定，其中 (V{REF}) 是VREFx引脚的输入电压，(R{S}) 是对应LSSx端子上的检测电阻阻值。

（五）同步整流

在PWM关断周期内，负载电流会进行续流。A4954的同步整流功能会在电流衰减期间开启相应的DMOSFET，利用低 (R_{DS (on) }) 驱动器短路体二极管，显著降低功耗。当检测到电流为零时，同步整流功能将关闭，以防止负载电流反向。

三、规格参数

（一）选型指南

型号	包装	环境工作温度
A4954ELPTR - T	每13英寸卷轴4000件	–40°C至85°C

（二）绝对最大额定值

特性	符号	注释	额定值	单位
负载电源电压	(V_{BB})		40	V
逻辑输入电压范围	(V_{IN})		–0.3至6	V
(V_{REF}) 输入电压范围	(V_{REF})		–0.3至6	V
检测电压（LSSx引脚）	(V_{S})		–0.5至0.5	V
电机输出电压	(V_{OUT})		–2至42	V
输出电流	(I_{OUT})	占空比 = 100%	2	A
瞬态输出电流	(i_{OUT})	(T_{W}) < 500 ns	5	A
工作温度范围	(T_{A})		–40至85	°C
最大结温	(T_{J (max)})		150	°C
存储温度范围	(T_{stg})		–55至150	°C

（三）热特性

特性	符号	测试条件*	值	单位
封装热阻	(R_{θJA})	在2层PCB上，每侧有3.8平方英寸外露2盎司铜箔	43	°C/W
基于JEDEC标准的4层PCB	34	°C/W

注：在最大条件下可能需要降额使用，更多热信息可在Allegro网站查询。

四、功能描述

（一）设备操作

A4954通过IN1 - IN2和IN3 - IN4输入实现对两个桥路的双线控制，每个输出全桥的电流由固定关断时间的PWM控制电路进行调节。内部同步整流控制电路可降低PWM操作期间的功耗。

（二）内部PWM电流控制

初始时，一对对角的源极和漏极FET输出被启用，电流通过电机绕组和可选的外部电流检测电阻 (R{Sx})。当 (R{Sx}) 两端的电压等于比较器的触发值时，电流检测比较器将重置PWM锁存器，锁存器关闭源极和漏极FET（混合衰减模式）。

（三）制动功能

制动功能通过在桥路启用斩波命令后，将两个通道的两个输入都设置为逻辑高电平，使设备工作在慢衰减模式来实现。这种配置可以有效短路电机产生的反电动势（BEMF），最大电流可近似为 (V{BEMF} / R{L})。但在高速和高惯性负载的最坏制动情况下，需注意确保不超过设备的最大额定值。

（四）混合衰减操作

桥路工作在混合衰减模式。当达到触发点时，设备在固定关断时间的50%内进入快速衰减模式，之后切换到慢衰减模式。在从快速衰减到慢衰减的过渡期间，驱动器会在交叉延迟 (t_{COD}) 期间被强制关闭，以防止桥路出现直通现象。

五、应用设计要点

（一）检测引脚（LSSx）

为了实现PWM电流控制，需要在LSSx引脚和地之间放置一个低值电阻用于电流检测。为了减少检测输出电流水平时的地迹IR降，电流检测电阻应具有独立的接地返回至星型接地点，且该走线应尽可能短。选择检测电阻值时，要确保在最大负载下LSSx引脚的电压不超过±500mV。

（二）接地

星型接地点应尽可能靠近A4954。设备外露散热焊盘正下方的铜接地平面是星型接地点的理想位置，可将外露焊盘连接到地。

（三）布局

PCB应具有厚的接地平面。为了实现最佳的电气和热性能，A4954必须直接焊接到电路板上。A4954封装的底面有一个外露焊盘，可提供增强的散热路径，该焊盘必须直接焊接到PCB的外露表面以实现最佳热传导。同时，可使用热过孔将热量传递到PCB的其他层。负载电源引脚VBB应使用一个电解电容（通常为100μF）与一个低阻值陶瓷电容并联进行去耦，且电容应尽可能靠近设备放置。

六、总结

A4954双全桥DMOS PWM电机驱动器以其丰富的功能、出色的性能和可靠的保护机制，为直流电机控制提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求合理选择参数，并注意PCB布局和接地等设计要点，以充分发挥A4954的优势。大家在使用A4954的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。