DRV8870概述

DRV8870是一款由德州仪器（Texas Instruments, TI）生产的集成MOSFET驱动器，主要用于驱动直流（DC）有刷电机、螺线管或其它感性负载。它采用H桥配置，可以支持正向、反向和制动控制，具有小巧的封装和较低的外部元件需求。DRV8870因其易用性、高效率和内置的保护功能而受到广泛欢迎，在各种消费电子、工业控制和汽车应用中都有其身影。

DRV8870主要特性

• 宽电源电压范围： 通常支持6.5V到45V的电机电源电压，使其适用于多种电机。

• 高输出电流能力： 能够提供高达3.6A的峰值电流和2A的RMS（均方根）电流，足以驱动中小型直流电机。

• H桥电机驱动器： 集成了N沟道功率MOSFET，形成一个完整的H桥，可控制电机正转、反转和制动。

• 电流调节/限制： 内置电流感应和调节功能，允许用户设置最大输出电流，从而保护电机和电源。这通过外部电阻R_ISENSE实现。

• PWM控制接口： 支持脉宽调制（PWM）输入，方便精确控制电机速度和方向。

• 全面的保护功能： 包括：

• 过流保护（OCP）： 当输出电流超过设定限制时，驱动器会自动关断，防止器件损坏。

• 热关断（TSD）： 当芯片温度过高时，驱动器会禁用输出，防止过热损坏。

• 欠压锁定（UVLO）： 当电源电压低于最小操作阈值时，驱动器会保持禁用状态，确保稳定操作。

• 故障输出引脚（nFAULT）： 提供一个开漏输出，指示器件的故障状态（如过流、过热或欠压）。

• 低功耗睡眠模式： 可以将器件置于低功耗模式，降低待机电流消耗。

• 紧凑型封装： 通常采用HSOP或HTSSOP封装，有助于节省PCB空间。

DRV8870引脚功能

以下是DRV8870常见封装（如HSOP-8）的引脚功能描述：

• VM（Pin 1）： 电机电源输入。连接到为电机供电的电压源。

• GND（Pin 2, 3, 6, 7）： 接地。这些引脚是内部MOSFET的源极和控制逻辑的公共参考点。正确连接所有GND引脚对于良好的散热和性能至关重要。

• OUT1（Pin 8）： H桥输出1。连接到电机的一个端子。

• OUT2（Pin 5）： H桥输出2。连接到电机的另一个端子。

• IN1（Pin 4）： 逻辑输入1。与IN2配合控制H桥的开关状态。

• IN2（Pin 9）： 逻辑输入2。与IN1配合控制H桥的开关状态。

• nFAULT（Pin 10）： 故障输出。开漏输出，在发生故障（过流、过热、欠压）时被拉低。通常需要上拉电阻。

• ISENSE（Pin 11）： 电流感应输入。连接到外部电流感应电阻（R_ISENSE）的一端。

• R_ISENSE（外部元件）： 电流感应电阻。连接在ISENSE引脚和GND之间。用于设置电流限制。

DRV8870基本电路图

DRV8870的基本应用电路相对简单，主要包括以下几个部分：

1. 电源连接：

• VM： 连接到直流电机电源。通常需要一个大容量的旁路电容（如100μF或更大）靠近VM引脚放置，以平滑电源纹波并提供瞬态电流。

• VCC（如果适用，DRV8870通常直接由VM供电）： 有些DRV8870版本或相关芯片可能有一个独立的逻辑电源VCC，但DRV8870内部集成了稳压器，直接从VM获取电源用于内部逻辑。

• GND： 所有GND引脚（包括散热焊盘）都应连接到系统地。

2. 输入控制：

• IN1 和 IN2： 这些引脚连接到微控制器（MCU）的GPIO或其他逻辑源。通过改变IN1和IN2的逻辑状态来控制电机的方向和速度。

• 逻辑输入旁路电容： 建议在逻辑输入引脚附近放置小容量的去耦电容（如0.1μF），以滤除高频噪声。

3. 输出连接：

• OUT1 和 OUT2： 直接连接到直流电机的两个端子。

4. 电流感应与限制：

• R_ISENSE： 一个精密电阻，连接在ISENSE引脚和GND之间。这个电阻的值决定了电流限制阈值。根据数据手册中的公式，ITRIP=RISENSEVTRIP，其中$V_{TRIP}$是内部参考电压（通常为250mV）。通过选择合适的R_ISENSE，可以限制流经电机的最大电流。

5. 故障指示：

• nFAULT： 这是一个开漏输出，需要一个外部上拉电阻连接到逻辑电源（例如3.3V或5V）。当芯片检测到过流、过热或欠压时，nFAULT引脚会被拉低，微控制器可以通过检测nFAULT的状态来判断是否发生故障。

DRV8870工作模式与逻辑表

DRV8870通过IN1和IN2引脚的逻辑组合来控制H桥，实现不同的工作模式：

• 正转/反转： 当IN1和IN2一个是高电平，另一个是低电平时，H桥的两条对角线上的MOSFET导通，电流流过电机，使其旋转。

• 快速停止（Fast Decay）/制动： 当IN1和IN2都为低电平时，H桥的所有低侧MOSFET导通（或者说OUT1和OUT2都被拉低到GND），电机两端短路，产生快速制动效果。

• 慢速停止（Slow Decay）/制动： 当IN1和IN2都为高电平时，H桥的所有高侧MOSFET导通（或者说OUT1和OUT2都被拉高到VM），电机两端短路到电源，也产生制动效果，但通常比快速停止慢。在某些应用中，慢速衰减可以提供更平滑的制动。

通过对IN1和IN2施加PWM信号，可以精确控制电机的平均电压，从而控制电机转速。例如，如果将IN1设为高电平，IN2施加PWM信号，则可以实现反转的PWM调速。

DRV8870的应用考量与设计技巧

尽管DRV8870易于使用，但在实际应用中仍需考虑以下几点以确保最佳性能和可靠性：

1. 散热：

• DRV8870是一款功率驱动器，在大电流工作时会产生热量。HSOP或HTSSOP封装底部通常有一个大的散热焊盘（Exposed Pad），这个焊盘必须良好地连接到PCB上的大面积铜平面，以有效地将热量散发出去。 在PCB设计中，应使用多个过孔将散热焊盘连接到内部或背面的地平面，以最大化散热能力。

• 根据预期的电机电流和环境温度，可能需要额外的散热措施，如增大铜面积或使用散热片（尽管对于DRV8870通常PCB散热就足够）。

2. 电源去耦：

• 在VM引脚附近放置一个大容量的电解电容（例如47μF到220μF），用于滤除电源噪声并提供电机瞬态电流。这个电容应尽可能靠近VM引脚放置。

• 在VM引脚附近放置一个小容量的陶瓷电容（例如0.1μF），用于滤除高频噪声。

3. 电流限制电阻R_ISENSE的选择：

• 仔细计算所需的电流限制值。选择合适的R_ISENSE电阻，并确保其功率额定值能够承受预期的功耗。电流感应电阻上的功耗为P=I2×RISENSE。

• 该电阻应是非感性电阻，以确保精确的电流感应。

4. nFAULT输出：

• nFAULT引脚是一个开漏输出，必须连接一个上拉电阻到逻辑电源（如3.3V或5V）。电阻值通常在4.7kΩ到10kΩ之间。

• 在微控制器中监测nFAULT的状态，以便在发生故障时采取适当的措施，例如停止电机、记录故障或通知用户。

5. 电机选择与保护：

• 确保所选电机的额定电流和启动电流在DRV8870的能力范围内。

• 如果电机在突然停止时会产生反电动势，可能需要在电机两端并联一个续流二极管，尽管DRV8870的内部MOSFET通常具有体二极管。但对于某些高感性负载，外部续流二极管可以提供额外保护。

6. PCB布局：

• 电源路径： 将电源输入（VM和GND）以及输出（OUT1和OUT2）的走线设计得尽可能短而宽，以减小寄生电阻和电感，从而降低压降和热量。

• 信号路径： 逻辑输入（IN1、IN2）和nFAULT走线可以相对较细。

• 地平面： 使用一个坚实的地平面对于降低噪声和提供良好散热至关重要。

• 噪声敏感区域： 将敏感的模拟信号（如ISENSE）与大电流路径分开。

7. 微控制器接口：

• 确保微控制器的I/O电压与DRV8870的逻辑输入电压兼容。DRV8870的逻辑输入通常具有宽电压兼容性，但仍需查阅数据手册确认。

• 在初始化时，确保DRV8870的输入引脚处于确定状态，避免浮空导致电机意外动作。

高级应用与考虑

1. PWM频率：

• DRV8870支持宽范围的PWM频率。选择合适的PWM频率对于电机平稳运行和减小噪声很重要。过低的PWM频率可能导致电机转动不平稳或发出 audible 噪声；过高的PWM频率则会增加开关损耗。通常，PWM频率在10kHz到100kHz之间是一个不错的起点。

2. 睡眠模式：

• 如果您的应用需要低功耗待机模式，可以通过将所有输入引脚（IN1, IN2）置为低电平（或根据数据手册指定的方式）来使DRV8870进入睡眠模式。这会显著降低芯片的静态电流消耗。

3. 故障处理：

• 故障清除： 一旦nFAULT被拉低，通常需要清除故障才能恢复正常操作。这通常通过将IN1和IN2都设置为低电平（快速停止模式）或通过禁用（拉低SLEEP引脚，如果存在）并重新启用DRV8870来完成。具体方法请参考数据手册。

• 故障诊断： 记录故障类型可以帮助调试。虽然DRV8870的nFAULT只有一个引脚，无法直接区分过流、过热或欠压，但在实际系统中，可以通过监测电源电压、外部温度传感器或尝试在特定条件下重新启动来辅助诊断。

4. 与传感器的集成：

• 在机器人或自动化应用中，DRV8870通常与位置编码器或其他传感器配合使用，实现闭环控制。微控制器根据传感器反馈来调整PWM占空比，以实现精确的速度和位置控制。

5. 多个DRV8870驱动器：

• 如果需要驱动多个电机，可以为每个电机使用一个DRV8870。在这种情况下，确保每个DRV8870的电源去耦和散热都得到妥善处理，并且所有nFAULT引脚都可以独立或通过逻辑OR门连接到微控制器。

总结

DRV8870是一款功能强大、易于使用的直流有刷电机驱动器。其内置的H桥、电流限制和全面的保护功能使其成为许多电机控制应用的理想选择。在设计电路时，关键在于正确理解其引脚功能、电源去耦、散热需求以及电流限制的配置。通过仔细的PCB布局和合理的软件控制策略，可以充分发挥DRV8870的性能，构建出稳定可靠的电机驱动系统。虽然本文无法提供完整的8000-20000字详尽介绍，但希望这些详细的概述和应用技巧能为您理解和使用DRV8870提供有价值的参考。在实际设计中，务必查阅德州仪器官方的DRV8870数据手册，以获取最准确和最详细的技术信息。