深度解析 DRV8870：性能卓越的有刷直流电机驱动器

在电子工程师的日常工作中，选择合适的电机驱动器是至关重要的。今天，咱们就来深入剖析德州仪器（TI）的 DRV8870 有刷直流电机驱动器，看看它有哪些独特之处，以及如何在实际应用中发挥其最大效能。

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关键特性一览

强大的驱动能力

DRV8870 采用 H 桥电机驱动架构，能够驱动一台直流电机、步进电机的一个绕组或其他负载。其工作电压范围宽广，从 6.5V 到 45V，典型的 (R_{DS(on)})（高侧 + 低侧）为 565mΩ，具备 3.6A 的峰值电流驱动能力，这使得它在各种不同功率需求的应用场景中都能游刃有余。

灵活的控制方式

它配备了 PWM 控制接口，通过脉冲宽度调制可以轻松控制电机的速度。同时，还集成了电流调节功能，基于模拟输入 VREF 和 ISEN 引脚电压（与电机电流成正比），能够将电流限制在已知水平，显著降低系统的功率需求和维持稳定电压所需的大容量电容，特别是在电机启动和堵转的情况下，优势更为明显。

低功耗与小体积

该驱动器具备低功耗睡眠模式，当两个逻辑输入都置低时，即可进入此模式，大大降低了系统的功耗。并且它采用了 8 引脚 HSOP 带 PowerPAD™ 封装，尺寸仅为 4.9 × 6.0mm，节省了电路板空间，非常适合对空间要求较高的应用。

完善的保护机制

DRV8870 集成了多种保护功能，包括 VM 欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）、热关断（TSD）以及自动故障恢复功能。一旦出现故障，这些保护机制能够迅速响应，确保驱动器和电机的安全，当故障条件消除后，又能自动恢复正常运行。

应用领域广泛

DRV8870 的应用领域十分广泛，涵盖了打印机、家电、工业设备以及其他机电一体化应用等。在这些应用中，它的高性能和可靠性得到了充分的验证。

详细的功能解析

桥控制

DRV8870 的输出由四个 N 沟道 MOSFET 组成，通过两个逻辑输入 IN1 和 IN2 进行控制。这两个输入可以设置为静态电压实现 100% 占空比驱动，也可以进行脉冲宽度调制（PWM）来实现可变电机速度。通过不同的输入组合，可以实现电机的正转、反转、制动和滑行等功能，为电机控制提供了丰富的选择。

睡眠模式

当 IN1 和 IN2 引脚都为低电平持续时间 t (SLEEP)（典型值为 1ms）时，驱动器进入低功耗睡眠模式，此时输出保持高阻态，仅消耗 I (VMSLEEP)（µA）的电流。当输入引脚变为高电平至少 5µs 后，驱动器在 50µs（(t_{ON})）后恢复正常工作，这种模式有效地降低了系统的功耗。

电流调节

驱动器根据模拟输入 VREF 和 ISEN 引脚的外部检测电阻的阻值来限制输出电流，计算公式为 (TRIP (A)=frac{VREF(V)}{A{v} × R{ISEN }(Omega)}=frac{VREF(V)}{10 × R_{ISEN }(Omega)})。当达到跳闸电流 I (TRIP) 时，驱动器会通过启用两个低侧 FET 来强制实现缓慢电流衰减，持续时间为 t (OFF)（典型值为 25µs），之后根据输入重新启用输出。

死区时间

在输出从高电平驱动切换到低电平驱动，或者从低电平驱动切换到高电平驱动时，会自动插入死区时间 (t_{DEAD})，以防止直通现象的发生，确保驱动器的安全稳定运行。

保护电路

• VM 欠压锁定（UVLO）：当 VM 引脚电压低于欠压锁定阈值时，H 桥中的所有 FET 都会被禁用，直到 VM 电压上升到阈值以上才会恢复运行。
• 过流保护（OCP）：如果输出电流超过 OCP 阈值 I (OCP) 并持续超过 t (OCP) 时间，H 桥中的所有 FET 会被禁用一段时间 t (RETRY)，之后根据输入状态重新启用。如果过流故障仍然存在，这个过程会重复进行，直到故障消除。
• 热关断（TSD）：当芯片温度超过安全限制时，H 桥中的所有 FET 会被禁用，当温度下降到安全水平后，自动恢复正常运行。

设计与应用要点

典型应用设计

在典型应用中，需要根据电机的额定参数和工作要求，合理选择设计参数，如电机电压、RMS 电流、启动电流、电流跳闸点、VREF 电压、检测电阻和 PWM 频率等。同时，要注意正确连接各个引脚，确保驱动器和电机的正常工作。

电源供应

在电机驱动系统设计中，适当的本地大容量电容是非常重要的。它的大小需要综合考虑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、电机类型和制动方法等因素。一般来说，大容量电容越大越好，但会增加成本和物理尺寸，因此需要进行系统级测试，以确定合适的电容大小。

布局设计

在电路板布局时，要遵循一定的原则。例如，大容量电容应尽量靠近电机驱动器，以减少高电流路径的长度；连接金属走线应尽可能宽，并使用多个过孔连接不同的 PCB 层，以降低电感；小容量电容应采用陶瓷电容，并靠近器件引脚放置；高电流输出应使用宽金属走线；器件的散热垫应焊接到 PCB 顶层接地平面，并通过多个过孔连接到大面积底层接地平面，以提高散热效果。

散热考虑

由于 DRV8870 在工作过程中会产生热量，因此散热问题不容忽视。它具备热关断（TSD）功能，当芯片温度超过约 175°C 时，器件会被禁用，直到温度下降到滞后温度以下。如果器件容易进入 TSD 状态，可能意味着存在过度功耗、散热不足或环境温度过高等问题，需要采取相应的措施，如增加散热片、优化 PCB 布局等。

总结

DRV8870 作为一款性能卓越的有刷直流电机驱动器，凭借其强大的驱动能力、灵活的控制方式、低功耗和完善的保护机制，在众多应用领域中具有广阔的应用前景。作为电子工程师，在设计电机驱动系统时，我们需要充分了解其特性和应用要点，合理进行设计和布局，以确保系统的性能和可靠性。大家在实际应用中是否也遇到过类似的电机驱动问题呢？欢迎一起交流探讨。