DRV8840是一个集成的电机驱动解决方案

2020-7-16 15:02:16 4130 drv8840 电机驱动

0 　　特征　　•单H桥电流控制电机驱动器　　•8.2-V至45-V工作电源电压范围　　•5位电流控制允许高达32个电流电平　　•低MOSFET RDS（开），典型0.65Ω（HS+LS）　　•24 V时最大驱动电流为5 A，TA=25°C 　　•内置3.3V参考输出　　•并行数字控制接口　　•热增强表面安装组件　　•保护功能：　　–过电流保护（OCP）　　–热关机内部关机（TSD）　　–VM欠压锁定（UVLO）　　–故障状态指示引脚（nFAULT）　　应用　　•打印机　　•扫描仪　　•办公自动化机器　　•游戏机　　•工厂自动化　　•机器人技术　　说明　　DRV8840为打印机、扫描仪和其他自动化设备应用提供集成的电机驱动解决方案。该装置有一个H桥驱动器，用于驱动一个直流电机。每一个的输出驱动器块由N通道功率mosfet组成，配置成全H桥来驱动电机绕组。DRV8840可提供高达5安峰值或3.5安的输出电流（在24 V和25°C下适当散热）。　　一个简单的并行数字控制接口与工业标准设备兼容。衰减模式可编程，以便在禁用时允许电机制动或滑行。　　提供过流保护、短路保护、欠压闭锁和超温的内部停机功能。　　DRV8840采用带PowerPAD的28针HTSSOP封装™ （环保：RoHS和no Sb/Br）。　　设备信息　　　　（1）、有关所有可用的软件包，请参阅数据表末尾的医嘱内容附录。　　简化示意图　　　　典型特征　　　　详细说明　　概述　　DRV8840是一个集成的电机驱动解决方案，适用于打印机、扫描仪和其他自动化设备应用。该器件集成了单个NMOS H桥、电荷泵、电流检测、电流调节和器件保护电路。DRV8828可以从8.2V到45V的单电源供电，并且能够提供高达5A的连续输出电流。　　一个简单的PHASE/ENBL接口可以方便地连接到外部控制器。5位电流控制方案允许多达32个离散电流电平。电流调节方法在慢衰减和快衰减之间可调。　　集成保护电路允许设备监控和保护过电流、欠压和过热故障，这些故障都是通过故障指示引脚（nFAULT）报告的。集成了低功耗休眠模式，允许系统在不驱动电机时降低功耗。　　功能框图　　　　特性描述　　PWM电机驱动器　　DRV8840设备包含一个带电流控制PWM电路的H桥电机驱动器。电机控制电路的框图如图5所示。　　　　有多个VM、ISEN、OUT和VREF引脚。所有类似命名的管脚必须在PCB上连接在一起。　　桥梁控制　　相位输入引脚控制流过H桥的电流方向，从而控制直流电机的旋转方向。ENBL输入引脚在高电平激活时启用H桥输出，也可用于电机的PWM速度控制。注意，当ENBL=0时，衰变管脚的状态选择桥接器的行为，允许选择慢衰减（制动）或快速衰减（滑行）。表1显示了逻辑。　　　　控制输入具有大约100 kΩ的内部下拉电阻器。　　电流调节　　通过电机绕组的最大电流由固定频率的PWM电流调节或电流斩波来调节。当H桥启用时，电流通过绕组以取决于绕组的直流电压和电感的速率上升。一旦电流达到电流斩波阈值，电桥将禁用电流，直到下一个PWM周期开始。　　对于直流电动机，电流调节用于限制电动机的起动和失速电流。速度控制通常通过向ENBLx输入引脚提供外部PWM信号来执行。　　如果不需要电流调节功能，可以通过将ISENSE引脚直接连接到地，将VREF引脚连接到V3P3来禁用。　　PWM斩波电流由比较器设置，比较器将连接到ISEN引脚的电流检测电阻器的电压乘以系数5与参考电压进行比较。参考电压从VREF引脚输入，并通过5位DAC进行缩放，该DAC允许以近似正弦顺序将电流设置为0到100%。　　满标度（100%）斩波电流在方程式1中计算。　　　　例子：　　如果使用0.25-Ω感测电阻器且VREFx引脚为2.5 V，则满标度（100%）斩波电流将为2.5 V/（5×0.25Ω）=2 a。　　五个输入引脚（I0-I4）用于将电桥中的电流缩放为VREF输入引脚和感测电阻设置的满量程电流的百分比。I0-I4引脚的内部下拉电阻约为100 kΩ。销的功能如表2所示。　　　　衰减模式和制动　　在PWM电流斩波过程中，H桥可驱动电流通过电机绕组，直到达到PWM电流斩波阈值。这在图6中显示为案例1。显示的电流方向指示xENBL引脚高时的状态。　　一旦达到斩波电流阈值，H桥可以在两种不同的状态下工作，快衰减或慢衰减。　　在快速衰减模式下，一旦达到PWM斩波电流电平，H桥将反转状态，以允许绕组电流反向流动。当绕组电流接近零时，电桥被禁用以防止任何反向电流流动。快速衰减模式如图6所示为案例2。　　在慢衰减模式下，通过启用电桥中的两个低边场效应晶体管，绕组电流被重新循环。这在图6中显示为案例3。　　　　DRV8840设备支持快速衰减和慢速衰减模式。慢或快衰变模式由衰变管脚的状态选择-逻辑低选择慢衰变，逻辑高设置快衰变模式。衰变管脚的内部上拉电阻约为130 kΩ，内部下拉电阻约为80 kΩ。如果引脚保持打开或未驱动，则设置混合衰减模式。　　衰变模式在禁用时也会影响网桥的操作（通过使ENBL引脚处于非活动状态）。如果启用输入用于电机的PWM速度控制，或仅用于启动和停止电机旋转，则此项适用。　　如果衰减引脚高（快速衰减），当电桥被禁用时，将进入快速衰减模式，直到通过电桥的电流达到零。一旦电流为零，电桥将被禁用，以防止电机反转方向。这使发动机滑行到停止位置。　　如果衰变引脚低（慢衰变），当ENBL失效时，两个低侧FET都将被打开。这基本上缩短了反电动势的电机，导致电机制动，并迅速停止。即使在电流达到零之后，低侧场效应晶体管仍将保持导通状态。　　下料时间　　在H桥中启用电流后，在启用电流检测电路之前，xISEN引脚上的电压将被忽略一段固定的时间。消隐时间固定为3.75μs。注意消隐时间还设置了PWM的最小接通时间。　　保护电路　　DRV8840设备具有充分的保护，可防止欠压、过电流和过热事件。　　过流保护（OCP）　　每个FET上的模拟电流限制电路通过移除栅极驱动来限制通过FET的电流。如果该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引脚将被驱动至低电平。设备将保持禁用状态，直到应用nRESET pin，或移除并重新应用VM。　　高压侧和低压侧装置上的过电流情况；即对地短路、电源短路或电机绕组短路，都将导致过电流停机。注意，过电流保护不使用用于PWM电流控制的电流检测电路，并且与ISENSE电阻值或VREF电压无关。　　热关机（TSD）　　如果模具温度超过安全限值，H桥中的所有FET将被禁用，并且nFAULT引脚将被驱动到低电平。一旦模具温度下降到安全水平，操作将自动恢复。　　欠压锁定（UVLO）　　如果在任何时候VM引脚上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，内部逻辑将被重置。当VM高于UVLO阈值时，操作将恢复。　　设备功能模式　　复位和复位操作　　当低电平驱动时，nRESET引脚复位内部逻辑。它还禁用H桥驱动程序。当nRESET处于活动状态时，将忽略所有输入。　　驱动nSLEEP低将使设备进入低功耗睡眠状态。在这种状态下，H桥被禁用，栅极驱动电荷泵停止，V3P3OUT调节器被禁用，所有内部时钟停止。在这种状态下，所有输入都被忽略，直到nSLEEP返回inactive high。从睡眠模式返回时，需要经过一段时间（大约1毫秒）后，电机驱动器才能完全工作。注意，nRESET和nSLEEP的内部下拉电阻约为100kΩ。这些信号需要被驱动到逻辑高电平以进行设备操作。　　应用与实施　　注意　　以下应用章节中的信息不是TI组件规范的一部分，TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定组件的适用性。客户应验证和测试其设计实现，以确认系统功能。　　申请信息　　DRV8840装置用于有刷电机或步进电机控制。板载电流调节允许通过简单的引脚配置来限制电机电流。　　典型应用　　　　设计要求　　表3显示了该应用的设计参数。　　　　详细设计程序　　电流调节　　最大电流（ITRIP）由Ix引脚、VREF模拟电压和感测电阻值（RSENSE）设定。当启动有刷直流电动机时，由于没有反电动势和高的制动转矩，可能会产生大的励磁涌流。电流调节将限制该涌入电流并防止启动时出现高电流。　　　　例子：如果所需的斩波电流为1.5 A：　　•设置RSENSE=100 mΩ 　　•VREF必须为0.75 V 　　•从V3P3OUT（3.3 V）创建电阻分压器网络，以设置VREF=0.75 V 　　•设置R2=10 kΩ，设置R1=3 kΩ 　　感测电阻器　　为了获得最佳性能，感测电阻器必须：　　•表面安装　　•低电感　　•额定功率足够高　　•靠近电机驱动器　　感测电阻器消耗的功率等于Irms2×R。例如，如果均方根电机电流为1.5 A，并且使用200 mΩ感应电阻器，则电阻器将消耗1.5 A2×0.2Ω=0.3 W。随着电流水平的增大，功率迅速增加。　　电阻器通常在某些环境温度范围内有一个额定功率，以及在高环境温度下的降额功率曲线。当一个PCB与其他发热元件共用时，应增加余量。最好是测量最终系统中的实际感测电阻温度，以及功率mosfet，因为它们通常是最热的元件。　　由于功率电阻器比标准电阻器更大、更昂贵，因此通常在感测节点和接地之间并联使用多个标准电阻器。这样可以分配电流和散热。　　应用曲线　　　　电源建议　　DRV8840设计用于在8.2 V至45 V的输入电压电源（VM）下工作。该设备的绝对最大额定值为47 V。必须在每个VM引脚处放置一个额定值为VM的0.1-μF陶瓷电容器，尽可能靠近DRV8840。此外，VM上必须包括一个大容量电容器。　　整体电容尺寸　　具有合适的局部体积电容是电机驱动系统设计的一个重要因素。一般来说，有更多的体积电容是有益的，但缺点是成本和物理尺寸增加。　　所需的本地电容量取决于多种因素，包括：　　•电机系统所需的最高电流。　　•电源的电容和提供电流的能力。　　•电源和电机系统之间的寄生电感量。　　•可接受的电压纹波。　　•使用的电机类型（有刷直流、无刷直流、步进电机）。　　•电机制动方法。　　电源和电机驱动系统之间的电感会限制电源电流的变化率。如果局部大容量电容太小，系统将对过大的电流需求作出响应，或者随着电压的变化而从电机中卸载。当使用足够的大容量电容时，电机电压保持稳定，并能快速提供大电流。　　数据表通常提供建议值，但需要进行系统级测试以确定适当尺寸的大容量电容器。　　大容量电容器的额定电压应大于工作电压，以便在电机向电源传输能量时提供裕度。　　　　布局　　布局指南　　每个VM终端必须使用低ESR陶瓷旁路电容器旁路至GND，推荐值为VM额定值0.1μF。这些电容器应放置在尽可能靠近VM引脚的地方，并与设备的GND引脚有一个厚的迹线或接地平面连接。　　VM引脚必须使用额定为VM的大容量电容器旁路接地。该成分可能是一种电解液。　　低ESR陶瓷电容器必须放置在CP1和CP2引脚之间。TI建议VM的额定值为0.1μF。将此部件尽可能靠近销。　　低ESR陶瓷电容器必须放置在VM和VCP引脚之间。TI建议16 V额定值为0.47μF。将该部件尽可能靠近销。此外，在VM和VCP之间放置1 MΩ。　　使用额定电压为6.3 V的陶瓷电容器将V3P3旁路至接地。将该旁路电容器尽可能靠近引脚。　　电流检测电阻器应尽可能靠近器件引脚，以尽量减少引脚和电阻器之间的痕迹电感。　　布局示例　　　　热注意事项　　DRV8840具有如上所述的热关机（TSD）。如果模具温度超过约150°C，设备将被禁用，直到温度降至安全水平。　　设备进入TSD的任何趋势都表明功率消耗过大、散热不足或环境温度过高。　　功耗　　DRV8840在运行直流电机时的平均功耗可粗略估计为：方程式3。　　　　其中：　　•P是一个H桥的功耗　　•RDS（ON）是每个FET的电阻　　•IOUT是施加到每个绕组的RMS输出电流。　　IOUT等于直流电机的平均电流。注意，在启动和故障条件下，该电流远高于正常运行电流；还需要考虑这些峰值电流及其持续时间。因数2来自于这样一个事实：在任何时刻，两个fet都在传导绕组电流（一个高压侧和一个低压侧）。　　装置中可消耗的最大功率取决于环境温度和散热量。　　注意RDS（ON）随着温度的升高而增加，因此当设备加热时，功耗也会增加。在确定散热器尺寸时，必须考虑到这一点。　　散热　　电源板™ 包装使用一个暴露的垫子来去除设备的热量。为了正确操作，该焊盘必须与PCB上的铜热连接以散热。在具有接地板的多层PCB上，这可以通过添加多个通孔来实现，以将热垫连接到地平面。在没有内部平面的PCB上，可以在PCB的任一侧添加铜区域来散热。如果铜区在PCB的另一侧，热通孔用于在顶层和底层之间传递热量。　　一般来说，提供的铜面积越多，消耗的功率就越大。 1
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