DRV8412与DRV8432：高性能电机驱动芯片的深度剖析

一、引言

在电机驱动领域，一款性能优异的驱动芯片能显著提升系统的效率和稳定性。TI推出的DRV8412和DRV8432就是这样的优秀代表。它们作为高集成度的双全桥PWM电机驱动器，凭借诸多先进特性，广泛应用于各种电机驱动场景。接下来，我们将深入了解这两款芯片的特点、应用以及设计要点。

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二、产品特性

2.1 高效功率级

这两款芯片采用了低 (R{DS(on)}) 的MOSFETs，在 (T{J}=25^{circ} C) 时， (R_{DS(on)}) 仅为110 mΩ，使得功率级效率高达97%。如此高的效率，不仅能降低功耗，还允许使用更小的电源和散热片，非常适合对能效要求较高的应用。

2.2 宽电压范围与大电流输出

DRV8412和DRV8432的工作电源电压最高可达52 V。其中，DRV8412在双全桥模式下，连续输出电流可达2 × 3 A（峰值2 × 6 A），并行模式下连续电流可达6 A（峰值12 A）；DRV8432在双全桥模式下，连续输出电流可达2 × 7 A（峰值2 × 12 A），并行模式下连续电流可达14 A（峰值24 A），能够满足不同功率电机的驱动需求。

2.3 高PWM频率

PWM工作频率最高可达500 kHz，可实现精确的电机控制，同时保持较高的效率。

2.4 集成保护电路

芯片集成了欠压、过温、过载和短路等自保护电路，还具备可编程的逐周期电流限制保护功能，能有效保护芯片和电机免受各种故障的影响。

2.5 独立引脚设计

每个半桥都有独立的电源和接地引脚，方便通过外部分流电阻进行电流测量，还能支持不同电源电压要求的多台电机。

2.6 智能栅极驱动

采用智能栅极驱动设计，可防止交叉导通，且无需外部缓冲器或肖特基二极管，简化了电路设计。

三、应用领域

3.1 电机驱动

适用于有刷直流电机、步进电机和三相永磁同步电机的驱动，为各类电机提供稳定可靠的动力。

3.2 控制系统

在机器人和触觉控制系统中，能精确控制电机的运动，实现复杂的动作和反馈。

3.3 其他应用

还可用于执行器、泵、精密仪器、TEC驱动器和LED照明驱动器等领域，展现出强大的通用性。

四、芯片描述

4.1 工作原理

DRV841x2通过内部的电压调节器为数字和低压模拟电路提供合适的电压，同时利用内置的自举电路为高端栅极驱动器提供浮动电压。其PWM信号路径设计为独立的半桥，确保了对称的电气特性。

4.2 电源要求

需要两个电源，一个为12 V的GVDD和VDD供电，另一个最高为50 V的PVDD为H桥供电。在设计电源时，要注意电源的噪声、输出阻抗以及去耦电容的选择和布局。

4.3 保护机制

芯片的保护系统能对各种故障做出快速响应，如出现故障，会将半桥输出设置为高阻抗状态，并拉低FAULT引脚。在过流或过温故障恢复时，建议在关机后至少1秒再外部复位设备，以确保可靠性。

五、引脚配置与功能

5.1 引脚介绍

芯片的引脚包括模拟地（AGND）、高端自举电源（BST_X）、电源地（GND、GND_X）、栅极驱动电压电源（GVDD_X）、模式选择引脚（M1、M2、M3）、过流调节引脚（OC_ADJ）、过温警告信号（OTW）、输出引脚（OUT_X）、电源输入引脚（PVDD_X）、PWM输入引脚（PWM_X）、复位信号引脚（RESET_AB、RESET_CD）、故障信号引脚（FAULT）、数字电压调节器电源（VDD）和数字调节器电源滤波引脚（VREG）等。

5.2 模式选择

通过M1、M2、M3引脚的不同组合，可以选择不同的输出配置模式，如双全桥或四半桥（有逐周期电流限制或过流锁存关机）、并行全桥（有逐周期电流限制）和双全桥（一个PWM输入控制一个全桥）等模式。

六、规格参数

6.1 绝对最大额定值

规定了芯片在各种电压、电流和温度条件下的最大承受值，超过这些值可能会导致芯片永久性损坏。

6.2 ESD评级

芯片的静电放电（ESD）额定值为±1500 V（CDM），在存储和处理过程中需采取防静电措施，防止MOS栅极受损。

6.3 推荐工作条件

包括半桥直流电源电压（PVDD_X）、逻辑调节器和栅极驱动电路电源（GVDD_X）、数字调节器电源电压（VDD）、脉冲峰值电流（I O_PULSE）、连续电流（I O）、PWM开关频率（F SW）、过流编程电阻范围（R OCP_CBC、R OCP_OCL）、自举电容范围（C BST）、最小PWM脉冲持续时间（t ON_MIN）和工作环境温度（T A）等参数，设计时应确保芯片在这些条件下工作。

6.4 热信息

给出了芯片的热阻参数，如结到环境的热阻（R θ JA）、结到外壳（顶部）的热阻（R θ JC(top)）、结到电路板的热阻（R θ JB）等，有助于散热设计。

七、详细描述

7.1 错误报告

FAULT和OTW引脚为低电平有效、开漏输出，用于向PWM控制器或其他系统控制设备发送保护模式信号。当发生故障导致设备关机时，FAULT引脚拉低；当设备结温超过125°C时，OTW引脚拉低。

7.2 设备保护系统

7.2.1 自举电容欠压保护

当芯片以低开关频率运行时，自举电容电压可能无法维持高端栅极驱动器的正常电压水平。此时，自举电容欠压保护电路会启动充电序列，确保自举电容正常充电。

7.2.2 过流保护

芯片在所有高端和低端功率级FET上都有独立、快速反应的电流检测器，可通过模式选择引脚设置为逐周期电流限制模式或过流锁存关机模式。过流阈值可通过外部电阻编程，且在短路情况下，建议使用铁氧体磁珠或电感来限制电流上升速率。

7.2.3 过温保护

采用两级温度保护系统，当结温超过125°C时，发出过温警告信号（OTW）；当结温超过150°C时，设备进入热关机状态，所有半桥输出设置为高阻抗状态。

7.2.4 欠压保护和上电复位

UVP和POR电路能在任何上电/掉电和电压骤降情况下保护芯片。当电源电压低于欠压保护阈值时，半桥输出设置为高阻抗状态；当电源电压恢复正常时，设备自动恢复运行。

7.3 设备复位

通过RESET_AB和RESET_CD引脚可独立控制半桥A/B和C/D的复位。当这些引脚拉低时，相应半桥的功率级FET进入高阻抗状态；引脚上升沿可使设备在故障关机后恢复运行。

7.4 设备功能模式

芯片支持四种不同的操作模式，每种模式都有其特点和适用场景。在使用逐周期电流限制模式时，需注意PWM输入不能固定为直流逻辑电平。

八、应用与实现

8.1 应用信息

DRV841x2通常用于驱动2个有刷直流电机或1个步进电机，也可用于三相永磁同步电机、正弦波无刷直流电机、TEC驱动器和LED照明驱动器等应用。

8.2 典型应用

8.2.1 全桥模式操作

在设计全桥模式应用时，需考虑电机电压、12 V电源的电流要求、去耦电容的电压、过流阈值和检测电阻等参数。较高的电机电压可实现更高的RPM，而较低的电压则有利于更精确地控制相电流。在选择OC_ADJ电阻时，要考虑系统正常运行时的峰值电流和电阻公差。检测电阻应选择表面贴装、低电感、高功率额定值的电阻，并尽量靠近电机驱动器放置。

8.2.2 并行全桥模式操作

在并行全桥模式下，PWM_A控制半桥A和B，PWM_B控制半桥C和D。为防止开关瞬态时两个并联通道之间的直通，建议在输出引脚后使用至少30 nH至100 nH的电感或铁氧体磁珠。

8.2.3 步进电机操作

可用于步进电机的驱动，通过合适的电路配置和控制信号，实现步进电机的精确控制。

8.2.4 TEC驱动器

在TEC驱动器应用中，可使用低通LC滤波器来满足要求。

8.2.5 LED照明驱动器

可作为LED照明驱动器，为LED提供稳定的电源和控制信号。

九、电源供应建议

9.1 大容量电容

在电机驱动系统设计中，合适的本地大容量电容非常重要。其容量大小取决于电机系统的最高电流需求、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、电机类型和制动方法等因素。一般来说，数据手册会提供推荐值，但需进行系统级测试来确定合适的电容大小。

9.2 电源

芯片除了H桥电源（PVDD）外，只需一个12 V电源。内部电压调节器为数字和低压模拟电路提供合适的电压，高端栅极驱动通过内置自举电路和外部自举电容实现。在设计电源时，要注意各引脚的去耦电容布局，避免电源引脚与去耦电容之间的电感，并确保去耦电容有短的接地路径。

9.3 系统上电和掉电顺序

芯片不需要特定的上电和掉电顺序，但在上电时建议将RESET_AB和RESET_CD引脚拉低，以帮助内部电路为外部自举电容充电；掉电时也建议将这些引脚拉低，以防止过渡期间出现未知状态。

9.4 系统设计建议

• VREG引脚：用于内部逻辑，不建议作为外部电路的电压源。
• VDD引脚：其瞬态电流可能远高于平均电流，应使用低电阻路径连接到GVDD，并在VDD引脚旁放置22 - 47 µF的电容和100 nF - 1 µF的去耦电容，以在瞬态时提供恒定电压。
• OTW引脚：可与MCU配合使用，当OTW信号为低电平时，降低系统功率，防止芯片因高温而关机。
• 模式选择引脚：应连接到VREG（逻辑高）或AGND（逻辑低），避免连接到板级地（如果AGND和GND之间使用了1 Ω电阻）。
• 并行模式操作：在并行模式下，输出引脚后需使用电感或铁氧体磁珠，以防止通道之间的直通。
• TEC驱动器应用：对于TEC驱动器或其他非电机相关应用，可使用低通LC滤波器。

十、布局设计

10.1 布局指南

• PCB材料：推荐使用FR - 4玻璃环氧树脂材料，上下层均为2 oz铜，以提高热性能和降低噪声敏感性。
• 接地平面：使用大的、完整的单一接地平面，将接地引脚的走线尽可能短而宽，并通过多个过孔连接到底层接地平面。同时，尽量清理设备周围的空间，特别是底层，以改善散热。
• 去耦电容：PVDD_X引脚的高频去耦电容应靠近引脚放置，并具有短的接地返回路径，以最小化PCB走线的电感。
• AGND：AGND是逻辑信号的局部内部接地，建议在GND和AGND之间连接1 Ω电阻，以隔离板级地的噪声。VREG和OC_ADJ相关的电容和电阻应靠近相应引脚放置，且不使用过孔连接。

  10.2 布局示例

  在使用电流分流电阻时，要确保每个GND_X或PVDD_X引脚到分流电阻只有一条单一路径，且路径短而对称，以减少测量误差。

  10.3 热考虑

  DRV8432的热增强封装可直接与散热片连接，使用导热界面材料提高散热效果，并将散热片连接到系统地以降低接地噪声。对于DRV8412，其散热垫应良好焊接在PCB上，并按照推荐的热过孔和焊盘图案设计，以提高散热能力。

十一、设备与文档支持

11.1 相关链接

提供了DRV8412和DRV8432的产品文件夹、样品购买、技术文档、工具软件和支持社区等相关链接，方便工程师获取所需信息。

11.2 商标

所有商标均为其各自所有者的财产。

11.3 静电放电注意事项

芯片的ESD保护有限，在存储或处理时应将引脚短路或放置在导电泡沫中，防止MOS栅极受到静电损坏。

11.4 术语表

可参考SLYZ022 TI术语表，了解相关术语、首字母缩写和定义。

十二、机械、封装和订购信息

文档提供了DRV8412和DRV8432的封装类型、引脚数量、环保计划、引脚镀层/球材料、MSL峰值温度、工作温度、器件标记和样品等信息，以及不同封装的尺寸、载带和卷盘信息、管装信息等，方便工程师进行选型和采购。

综上所述，DRV8412和DRV8432是两款性能卓越、功能丰富的电机驱动芯片。在实际设计中，工程师需根据具体应用需求，综合考虑芯片的特性、规格参数、电源供应、布局设计等因素，以充分发挥芯片的优势，实现高效、稳定的电机驱动系统。你在使用这两款芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。