DRV8813双桥电机控制器IC：特性、应用与设计要点

在电子工程师的日常工作中，电机驱动是一个常见且关键的领域。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的DRV8813双桥电机控制器IC，它为打印机、扫描仪和其他自动化设备应用提供了集成的电机驱动解决方案。

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一、特性亮点

1. 宽电压范围与高电流驱动能力

DRV8813的工作电源电压范围为8.2V至45V，在24V和25°C环境下，最大驱动电流可达2.5A。这种宽电压范围和高电流驱动能力，使其能够适应多种不同的电机和应用场景。

2. 双H桥电流控制

该器件拥有两个H桥驱动器，可驱动双极步进电机或两个直流电机，还具备四级绕组电流控制功能。这意味着它可以灵活地控制电机的运行，满足不同的应用需求。

3. 多种衰减模式

支持混合衰减、慢衰减和快衰减三种衰减模式。不同的衰减模式适用于不同的电机运行情况，工程师可以根据具体需求进行选择，以优化电机的性能。

4. 标准数字控制接口

采用行业标准的并行数字控制接口，方便与其他设备进行连接和控制。这种标准化的接口设计，降低了系统集成的难度，提高了开发效率。

5. 低功耗睡眠模式

具备低电流睡眠模式，在不驱动电机时可以降低功耗，延长设备的续航时间，对于一些对功耗敏感的应用场景非常有用。

6. 内置参考输出

内置3.3V参考输出，可用于为其他电路提供稳定的参考电压，减少了外部元件的使用，简化了电路设计。

7. 小封装与保护特性

采用28引脚的HTSSOP封装，体积小、占用空间少。同时，具备过流保护（OCP）、热关断（TSD）、VM欠压锁定（UVLO）和故障指示引脚（nFAULT）等保护功能，提高了设备的可靠性和稳定性。

二、应用领域

DRV8813的应用非常广泛，涵盖了多个行业，包括：

• 金融设备：自动取款机、货币处理机等。
• 安防监控：视频安全摄像头。
• 办公设备：打印机、扫描仪、办公自动化机器。
• 娱乐设备：游戏机。
• 工业自动化：工厂自动化、机器人等。

三、详细描述

1. 功能概述

DRV8813集成了两个NMOS H桥、电流检测、调节电路和详细的故障检测功能。通过PHASE/ENBL接口，可以方便地与控制器电路进行连接。绕组电流控制允许外部控制器调整提供给电机的调节电流，并且电流调节具有高度的可配置性。

2. 功能框图

从功能框图可以看出，该器件的各个部分协同工作，实现了电机的驱动和控制。其中，VM为电源输入，V3P3OUT为3.3V调节器输出，可用于为其他电路供电。

3. 保护电路

• 过流保护（OCP）：每个FET上的模拟电流限制电路可通过移除栅极驱动来限制通过FET的电流。如果模拟电流限制持续时间超过OCP时间，H桥中的所有FET将被禁用，nFAULT引脚将拉低。
• 热关断（TSD）：当芯片温度超过安全限制时，H桥中的所有FET将被禁用，nFAULT引脚将拉低。当芯片温度降至安全水平时，操作将自动恢复。
• 欠压锁定（UVLO）：如果VM引脚的电压低于欠压锁定阈值电压，设备中的所有电路将被禁用，内部逻辑将复位。当VM电压上升到UVLO阈值以上时，操作将恢复。

4. 设备功能模式

• 桥控制：xPHASE输入引脚控制每个H桥中电流的流动方向，xENBL输入引脚在高电平时使能H桥输出。
• 电流调节：通过固定频率的PWM电流调节或电流斩波来调节电机绕组中的电流。当H桥启用时，电流将根据绕组的直流电压和电感以一定速率上升。一旦电流达到电流斩波阈值，桥将禁用电流，直到下一个PWM周期开始。
• 衰减模式：支持快速衰减、慢速衰减和混合衰减三种模式。通过DECAY引脚的状态来选择不同的衰减模式，逻辑低选择慢速衰减，开路选择混合衰减操作，逻辑高设置快速衰减模式。
• 消隐时间：在H桥中启用电流后，xISEN引脚的电压在固定时间内将被忽略，以确保电流检测电路的准确性。
• nRESET和nSLEEP操作：nRESET引脚在低电平时复位内部逻辑并禁用H桥驱动器；nSLEEP引脚在低电平时将设备置于低功耗睡眠状态，在高电平时恢复正常操作。

四、应用与实现

1. 典型应用

DRV8813可用于控制双极步进电机，通过PHASE/ENBL接口控制输出，并利用内部电流调节电路实现电流控制。内部保护电路和nFAULT引脚提供了详细的故障报告功能。

2. 详细设计步骤

• 电流调节：在步进电机中，设定的满量程电流（IFS）取决于xVREF模拟电压和感测电阻值（RSENSE）。通过公式 (I{FS}(A)=frac{xVREF(V)}{A{v} × R{SENSE }(Omega)}=frac{xVREF(V)}{5 × R{SENSE }(Omega)}) 可以计算出满量程电流。
• 衰减模式：支持三种不同的衰减模式，在电机绕组电流达到电流斩波阈值后，DRV8813将绕组置于其中一种衰减模式，直到PWM周期结束。
• 感测电阻：为了获得最佳性能，感测电阻应具备表面贴装、低电感、高功率额定值等特点，并应靠近电机驱动器放置。

五、电源供应建议

1. 大容量电容

大容量电容的大小是电机驱动系统设计中的一个重要因素，它取决于多种因素，如电源类型、可接受的电源电压纹波、电源布线中的寄生电感、电机类型、电机启动电流和电机制动方法等。

2. 电源和逻辑时序

DRV8813的上电没有特定的顺序，数字输入信号可以在VMx施加之前存在。在VMx施加到DRV8813后，设备将根据控制引脚的状态开始运行。

六、布局要点

1. 布局指南

• VMA和VMB引脚应使用低ESR陶瓷旁路电容旁路到GND，并尽可能靠近引脚放置。
• CPL和CPH引脚之间应放置一个低ESR陶瓷电容。
• VMA和VCP引脚之间应放置一个低ESR陶瓷电容和一个1MΩ电阻。
• V3P3应使用陶瓷电容旁路到GND。

2. 热考虑

DRV8813具备热关断保护功能，如果芯片温度超过约150°C，设备将被禁用，直到温度降至安全水平。为了确保设备的正常运行，应提供足够的散热措施，如使用散热片或增加铜面积。

3. 功耗估算

DRV8813的功耗主要由输出FET电阻（RDS(ON)）决定。在运行步进电机时，总功耗可以通过公式 (P{TOT}=4 × R{DS(ON)} × I_{OUT(RMS)}^2) 进行估算。

七、总结

DRV8813是一款功能强大、性能可靠的双桥电机控制器IC，它具有宽电压范围、高电流驱动能力、多种衰减模式和完善的保护功能等特点。在实际应用中，工程师可以根据具体需求，合理选择电源、布局和散热方案，以充分发挥DRV8813的优势，实现电机的高效、稳定运行。

你在使用DRV8813的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。