DRV8935：工业应用中的高性能四半桥驱动器

在工业应用的电机驱动领域，一款性能卓越、功能丰富的驱动器往往能为整个系统带来显著的提升。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的 DRV8935 四半桥驱动器，看看它究竟有哪些独特之处。

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一、产品概述

DRV8935 专为工业应用设计，集成了四个 2.5 - A 的半 H 桥，支持 4.5 - V 至 33 - V 的宽电源电压范围，可驱动多达四个螺线管负载、两个直流电机、一个步进电机或其他负载。它具有简单的 PWM 接口，方便与控制器连接，同时具备集成电流感应和调节功能，能有效控制负载电流。此外，该驱动器还拥有多种保护特性，可在系统出现故障时保护设备安全。

二、关键特性

（一）强大的驱动能力

• 多负载驱动：可同时驱动多个不同类型的负载，如螺线管、直流电机和步进电机，为工业应用提供了多样化的选择。
• 宽电压范围：4.5 - V 至 33 - V 的工作电源电压范围，能适应不同的电源环境，增强了产品的通用性。
• 低导通电阻：在 24 V、25°C 条件下，低 (R_{DS(ON)}) 为 330 mΩ（HS + LS），可降低功率损耗，提高效率。
• 高驱动电流：在 24 V、25°C 时，最大驱动电流可达 2.5 - A，能满足大多数负载的驱动需求。

（二）灵活的配置选项

• 可配置关断时间 PWM 斩波：支持 7、16、24 或 32 μs 的关断时间选择，可根据实际应用需求进行灵活配置。
• 多逻辑输入支持：支持 1.8 - V、3.3 - V、5.0 - V 逻辑输入，方便与不同的控制器接口。

（三）低功耗与低 EMI 设计

• 低电流睡眠模式：睡眠模式电流仅为 2 μA，可有效降低系统功耗，延长电池续航时间。
• 扩频时钟：采用扩频时钟技术，可降低电磁干扰（EMI），提高系统的电磁兼容性。

（四）全面的保护功能

• 欠压锁定（UVLO）：当电源电压低于阈值时，自动锁定输出，防止设备在异常电压下工作。
• 电荷泵欠压（CPUV）：监测电荷泵电压，确保高侧 N 沟道 MOSFET 栅极驱动电压正常。
• 过流保护（OCP）：当通过任何 FET 的电流超过设定值时，及时切断输出，保护设备免受损坏。
• 热关断（OTSD）：当芯片温度超过阈值时，自动关闭所有 MOSFET，防止过热损坏。
• 故障输出指示（nFAULT）：通过 nFAULT 引脚输出故障信号，方便系统及时检测和处理故障。

三、应用领域

DRV8935 的应用领域非常广泛，涵盖了众多工业和消费电子领域，如：

• 冰箱风门和制冰机：精确控制风门的开度和制冰机的运行，提高冰箱的性能和效率。
• 纺织机械：驱动纺织机械中的各种电机，实现精确的运动控制。
• 办公和家庭自动化：用于自动窗帘、门锁等设备的驱动，提升生活的便利性。
• 工厂自动化和机器人：为机器人的关节驱动和工业自动化生产线中的电机提供稳定的驱动动力。
• 洗衣机、烘干机和洗碗机：控制电机的运转，实现高效的洗涤和烘干功能。
• 游戏机：驱动游戏机中的各种电机，增强游戏的沉浸感。

四、详细功能解析

（一）桥控制和电流调节

DRV8935 的 INx 输入引脚可直接控制 OUTx 输出的状态（高或低）。通过 VREF12 和 VREF34 引脚可分别控制 OUT1、OUT2 和 OUT3、OUT4 的负载电流，ITRIP 电流可通过公式 (I{TRIP }(A)= V{REF}(V) / 1.32 (V/A)) 计算得出。用户可通过连接电阻分压器从 DVDD 引脚到地来编程 (V_{REF}) 电压，实现对负载电流的精确控制。

在实际应用中，对于连接到 VM 电源的负载，当 ITRIP 高于 (VM / R{LOAD}) 时，负载电流将被调节到 (VM / R{LOAD}) 水平；对于电感负载，需确保每个周期内电流有足够的衰减，以防止电流失控和触发过流保护。

（二）衰减模式

在低侧 FET 电流启用后，电流感应比较器会在一段时间（约 1 μs）内被忽略，以避免误触发。这段时间也设定了 PWM 的最小驱动时间。

（三）电荷泵

集成的电荷泵用于为高侧 N 沟道 MOSFET 提供栅极驱动电压。在 VM 和 VCP 引脚之间需连接一个存储电容，CPH 和 CPL 引脚之间需连接一个飞跨电容。

（四）线性电压调节器

DRV8935 内部集成了线性电压调节器，DVDD 调节器可提供参考电压，最大可提供 2 mA 的负载电流。为确保正常工作，需使用陶瓷电容将 DVDD 引脚旁路到地。

（五）逻辑和四电平引脚

逻辑电平引脚 IN1、IN2、IN3、IN4 和 nSLEEP 具有特定的输入结构，四电平逻辑引脚 TOFF 也有其独特的结构。这些引脚的设计确保了驱动器与外部控制器的稳定连接和准确控制。

（六）nFAULT 引脚

nFAULT 引脚为开漏输出，需上拉至 5 - V、3.3 - V 或 1.8 - V 电源。当检测到故障时，该引脚将变为逻辑低电平，方便系统及时响应。

五、典型应用示例

以驱动四个螺线管负载为例，详细介绍 DRV8935 的应用设计。

（一）设计要求

设计参数	参考	示例值
电源电压范围	VM	19 - 29V
每通道电流	(I_{OUT})	1.5 A
PWM 频率	(f_{PWM})	40 kHz

（二）详细设计过程

1. 电流调节：根据 VREF 引脚电压控制负载电流，确保每个通道的电流稳定在设定值。
2. 功率损耗计算：功率损耗主要包括传导损耗、开关损耗和静态功耗。通过合理的计算和设计，可确保设备在正常工作温度范围内运行。
   • 传导损耗：(P_{COND }=4 times(1.5 - A)^{2} × 0.165 - Omega = 1.485 - W)
   • 开关损耗：(P{SW }=4 timesleft(P{SWRISE }+P{SWFALL }right))，其中 (P{SWRISE }=0.5 × VM × I{OUT } × t{RISE } × f{PWM})，(P_{SWFALL }=0.5 × VM × I{OUT } × t{FALL } × f{PWM})
   • 静态功耗：(P{Q}=VM × I{VM}=24 V × 5 mA = 0.12 W)
   • 总功率损耗：(P{TOT }=P{COND }+P{SW }+P{Q}=1.485 - W + 0.576 - W + 0.12 - W = 2.181 - W)
3. 结温计算：根据功率损耗和热阻参数，计算设备的结温。确保结温在规定的工作范围内，以保证设备的可靠性。
   • HTSSOP 封装：(T_{J}=25^{circ} C+left(2.181 - W × 31^{circ} C / Wright)=92.6^{circ} C)
   • VQFN 封装：(T_{J}=25^{circ} C+left(2.181 - W × 40.7^{circ} C / Wright)=113.8^{circ} C)

六、电源和布局建议

（一）电源建议

• 每个 VM 引脚需尽可能靠近设备放置一个 0.01 - μF 的 VM 额定陶瓷电容，同时在 VM 上添加一个大容量电容，以提供稳定的电源。
• 大容量电容的选择需考虑多种因素，如电机系统所需的最大电流、电源的电容和供电能力、电源与电机系统之间的寄生电感、可接受的电压纹波等。

（二）布局建议

• VM 引脚：使用低 ESR 的陶瓷旁路电容（推荐 0.01 μF）将 VM 引脚旁路到 PGND，电容应尽可能靠近 VM 引脚，并使用厚走线或接地平面连接到设备的 PGND 引脚。
• CPL 和 CPH 引脚：在 CPL 和 CPH 引脚之间放置一个低 ESR 的陶瓷电容（推荐 0.022 μF），并尽可能靠近引脚。
• VM 和 VCP 引脚：在 VM 和 VCP 引脚之间放置一个低 ESR 的陶瓷电容（推荐 0.22 μF、16 V），并尽可能靠近引脚。
• DVDD 引脚：使用低 ESR 的陶瓷电容（推荐 0.47 μF、6.3 V）将 DVDD 引脚旁路到地，并尽可能靠近引脚。
• 散热焊盘：将散热焊盘连接到系统地，以提高散热性能。

七、总结

DRV8935 以其强大的驱动能力、灵活的配置选项、全面的保护功能和低功耗设计，成为工业应用中电机驱动的理想选择。在实际设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择外部组件，优化电源和布局设计，以充分发挥 DRV8935 的性能优势。同时，我们也要关注设备的散热和保护问题，确保系统的稳定性和可靠性。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师们更好地了解和应用 DRV8935 驱动器。你在使用类似驱动器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。