MAX14871：4.5V 至 36V 全桥直流电机驱动器的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，为直流电机选择合适的驱动器是一项关键任务。今天，我们就来深入探讨一款性能出色的直流电机驱动器——MAX14871。

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一、产品概述

MAX14871 是一款专门为驱动和控制 4.5V 至 36V 有刷电机而设计的低功耗、简单解决方案。它具有极低的驱动器导通电阻，能有效降低功率损耗。同时，其无电荷泵设计减少了外部组件数量，降低了电源电流。此外，集成的电流调节功能允许用户自定义电机启动峰值电流，且只需极少的外部组件。该产品采用 16 引脚 TSSOP - EP 封装，工作温度范围为 - 40°C 至 + 85°C。

二、应用场景

MAX14871 凭借其出色的性能，在众多领域都有广泛的应用：

1. 打印机和扫描仪：在打印和扫描过程中，需要精确控制电机的转速和扭矩，MAX14871 能够提供稳定可靠的驱动，确保打印和扫描的质量。
2. 工业自动化：工业生产中，电机的高效稳定运行至关重要。MAX14871 的多种保护功能和灵活的电流调节模式，能适应复杂的工业环境，保障设备的正常运行。
3. 自动售货机和游戏机：对于这些设备，电机的控制需要精准且节能。MAX14871 的低功耗特性和可定制的电流调节，能满足其对电机驱动的要求。

三、产品优势与特性

3.1 高功率驱动与小尺寸设计

• 大电流输出：可提供高达 2.8A 的峰值电机电流，能满足大多数电机的驱动需求。
• 宽电压范围：灵活的 4.5V - 36V 电源供应，可实现更长的运行时间，适用于不同的电源环境。
• 低功耗运行：总桥导通电阻仅 334mΩ（典型值），在 30kHz/24V 条件下电源电流仅 1mA（典型值），12V 时待机电流最大为 10µA，运行更凉爽、更持久。

3.2 简化设计，缩短上市时间

• 无电荷泵架构：减少了外部组件，降低了设计复杂度。
• 简单的电流调节：仅需一个检测电阻即可实现电流调节，电流检测输入简化了 PCB 布局。
• 灵活的参考电压：支持内部/外部 VREF 进行电流调节，提供多种电流调节模式，包括快速衰减、慢速衰减和 25% 电流纹波模式。

3.3 集成保护，提供稳健驱动解决方案

• 短路保护：驱动器输出具备短路保护功能，可防止短路到地、电源以及 M1 和 M2 之间的短路情况。
• 热关断和欠压锁定：当出现热过载或欠压情况时，能自动保护设备，确保系统安全。
• 故障诊断输出：通过 FAULT 输出信号，可及时发现热过载和过流等故障情况。
• 宽温度范围：- 40°C 至 + 85°C 的工作温度范围，适用于各种恶劣环境。

四、电气特性

4.1 电源相关特性

• 电源电压：范围为 4.5V 至 36V，能适应不同的电源需求。
• 电源电流：在不同工作模式下，电源电流表现良好。例如，在 EN = low，M1/M2 未连接，fPWM = 50kHz 时，典型值为 1mA；无开关操作时，范围为 0.5 - 1.2mA。关机电源电流在不同电源电压下有相应的标准。
• 欠压锁定阈值：上升时为 3.3 - 4.3V，且具有一定的滞后值。

4.2 驱动器特性

• 驱动器输出电阻：在不同温度下有不同表现，如 Tj = 25°C 时，典型值为 334mΩ；Tj = 125°C 时，范围为 465 - 620mΩ。
• 驱动器过载电流限制：为 3A。
• M1、M2 泄漏电流：在特定条件下，范围为 - 1 至 + 1μA。
• M1、M2 体二极管正向电压：在不同情况下有相应的数值。

4.3 电流调节特性

• MODE 选择阈值：不同的电流调节模式对应不同的阈值，如固定关断时间、快速衰减电流调节时为 0.2V 等。
• VREF 相关特性：包括内部/外部选择阈值、电压范围以及输入泄漏电流等。
• SNS 阈值：在不同的电流调节模式和 VREF 条件下有不同的阈值。
• 电流检测放大器增益：典型值为 10V/V。

4.4 逻辑信号特性

• 输入逻辑高/低电压：不同引脚有相应的标准，如 PWM、DIR 的输入逻辑高电压为 2V，输入逻辑低电压为 0.8V 等。
• FAULT 输出特性：包括输出低电压和关断泄漏电流等。

4.5 保护特性

• 热关断阈值：温度上升且 FAULT 信号有效时为 + 160°C，具有 10°C 的滞后值。

五、AC 电气特性

包括 PWM 频率、死区时间、M1、M2 上升/下降速率、传播延迟、固定关断时间、最小导通时间、过流消隐时间、过流自动重试超时时间、使能开启/关闭延迟等特性，这些特性对于电机的精确控制和系统的稳定性至关重要。

六、引脚配置与功能

MAX14871 各引脚都有其特定的功能：

1. COM 引脚（1、16）：COM 电流输出，连接检测电阻到地，用于内部电流调节和/或外部电流控制。
2. M1 引脚（2、3）：电机驱动器输出 1，两个 M1 引脚需连接在一起。
3. VDD 引脚（4、13）：电源输入，需使用 1μF 陶瓷电容尽可能靠近器件进行旁路。
4. SNS 引脚（5）：电流检测输入，连接到 COM 可启用电流调节，连接到地可绕过电流调节。
5. PWM 引脚（6）：PWM 控制逻辑输入，与 DIR 一起控制 M1 和 M2。
6. DIR 引脚（7）：方向控制逻辑输入，与 PWM 协同工作。
7. MODE 引脚（8）：电流调节模式选择输入，通过连接不同电压可选择不同的电流调节模式。
8. TCOFF 引脚（9）：电流调节定时控制，根据不同的电流调节方式有不同的连接方法。
9. FAULT 引脚（10）：开漏低电平有效故障输出，在过流和热关断时信号有效。
10. EN 引脚（11）：低电平有效使能输入，低电平使能驱动器输出，高电平使驱动器输出呈高阻态。
11. M2 引脚（14、15）：电机驱动器输出 2，两个 M2 引脚需连接在一起。
12. VREF 引脚（12）：参考电压输入，用于外部 VREF 电流调节时设置最大电机电流。
13. EP 引脚：暴露焊盘，需连接到地。

七、控制逻辑与工作模式

7.1 PWM/DIR 控制逻辑

通过 EN、PWM 和 DIR 输入信号的不同组合，可以实现不同的工作模式，如关机、制动、逆时针/反向和顺时针/正向等。

7.2 电流调节逻辑

根据 EN、VREF、MODE 和 V SNS 输入信号的不同组合，可实现不同的电流调节模式，包括正常 PWM 操作和基于不同衰减方式的电流调节。

八、详细工作原理与特性说明

8.1 过流保护

MAX14871 具备过流保护功能，当 M1 或 M2 上的电流超过 6A（典型值）且持续时间超过 1µs 时，检测到过流情况，H 桥驱动器自动禁用，FAULT 输出信号有效。若过流情况持续超过过流自动重试超时时间（2ms 典型值），则进入自动重试模式。

8.2 PWM 控制

PWM 输入用于电机速度/扭矩控制，通过改变占空比可设置电机两端的有效（平均）电压，实现一阶速度控制。当 PWM 为高电平时，电机按 DIR 定义的方向驱动；当 PWM 为低电平时，桥处于制动模式。

8.3 斜率控制

在 M1/M2 转换期间，驱动器采用有源斜率控制进行开启和关闭操作，这种集成的转换速率限制可降低与高 di/dt 和 dv/dt 速率相关的电磁兼容性（EMC）问题，如传导和辐射 EMI。

8.4 热关断

当结温超过 160°C（典型值）时，H 桥呈高阻态，FAULT 信号有效；当结温降至 150°C（典型值）时，M1 和 M2 自动重新启用。

8.5 电流检测

通过在 COM 与地之间连接检测电阻，可监测电机运行时的电流。为减少由于寄生走线互连电阻引起的电压检测误差，需尽量减小检测电阻到地的串联走线电阻，并采用星型接地连接。

8.6 电流调节

MAX14871 采用内部电流调节来限制堵转电流，基于检测电阻设置的最大电机电流和 VREF 电压进行调节。当电机电流超过设定值时，通过将 H 桥输出置低（制动/慢速衰减）或反转 H 桥方向（快速衰减）来自动降低电机电流。

8.7 调节模式

• 固定关断时间（TOFF - time）调节：根据连接在 TCOFF 与地之间的电容值确定关断时间，在此期间 H 桥可工作在慢速或快速衰减模式。
• 25% 纹波调节：当电机电流达到调节极限时，桥进入快速衰减期，直到电机电流降至电流极限的 75%，然后恢复正常驱动。这种调节方式无需调节 tOFF 时间和使用 TCOFF 电容，便于电机更换。

九、设计注意事项

9.1 布局考虑

连接重复引脚（COM 引脚和 VDD 引脚）时，应使用低电阻走线。在电流检测部分，还有更多布局建议，如采用星型接地连接等。

9.2 功率考虑

需要计算设备的总功耗，包括驱动器内部功耗、开关过程中产生的功耗和二极管功耗。由于驱动器产生的功率可能超过器件封装的安全散热能力，因此要合理设计散热方案。

9.3 无内部电流调节操作

若不需要内部或外部电流调节，可将 SNS 直接连接到地，此时无需检测电阻。

9.4 外部电流调节操作

可通过外部 PWM 调节和检测电阻反馈在控制环路中控制电机电流。若要禁用内部电流调节电路并使用外部调节，将 SNS 直接连接到地。需要注意的是，使用快速衰减控制时，H 桥方向反转时 COM 电压会出现负脉冲。

9.5 外部电容器使用

不建议在电机端子之间使用外部电容器，因为增加的电容会增加 H 桥的功耗，且会恶化 VDD 线上的传导 EMI。

十、订购信息

MAX14871 有特定的型号选项，如 MAX14871EUE +，工作温度范围为 - 40°C 至 + 85°C，采用 16 引脚 TSSOP - EP 封装。

总之，MAX14871 以其出色的性能、丰富的功能和灵活的设计，为电子工程师在直流电机驱动设计中提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理选择和使用这款驱动器，以实现最佳的电机控制效果。大家在使用 MAX14871 过程中遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享。