DRV8823-Q1：汽車應(yīng)用的雙步進電機驅(qū)動解決方案

在汽車應(yīng)用中，對電機驅(qū)動的要求越來越高，不僅需要精確控制，還需要具備良好的穩(wěn)定性和安全性。德州儀器（TI）的 DRV8823-Q1 雙步進電機驅(qū)動器就是這樣一款滿足汽車應(yīng)用需求的產(chǎn)品。今天，我們就來詳細探討一下 DRV8823-Q1 的特點、應(yīng)用及設(shè)計要點。

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一、產(chǎn)品概述

1.1 基本信息

DRV8823-Q1 采用 HTSSOP (48) 封裝，尺寸為 12.50 mm x 6.10 mm。它適用于需要獨立控制兩個不同電機的汽車應(yīng)用，集成了四個 NMOS H 橋、微步進索引器和各種故障保護功能。該器件的供電電壓范圍為 8 V 至 32 V，可提供高達 1.5 A 的滿量程輸出電流，實際滿量程電流會受環(huán)境溫度、電源電壓和 PCB 接地尺寸的影響。

1.2 發(fā)展歷程

從 2012 年 6 月的初始版本到 2015 年 12 月的修訂版，DRV8823-Q1 不斷完善。在修訂過程中，增加了 ESD 評級表、功能描述部分、設(shè)備功能模式、應(yīng)用與實現(xiàn)部分、電源供應(yīng)建議部分、布局部分、設(shè)備和文檔支持部分以及機械、封裝和可訂購信息部分等內(nèi)容，使其功能更加全面，性能更加穩(wěn)定。

二、引腳配置與功能

2.1 引腳分布

DRV8823-Q1 有 48 個引腳，不同引腳承擔(dān)著不同的功能。例如，VM 引腳為電機電源電壓引腳，有多個引腳需連接到電機電源電壓，并通過幾個 0.1 - μF、35 - V 的陶瓷電容旁路到 GND；V3P3 引腳為 3.3 V 穩(wěn)壓器輸出，需用 0.47 - μF、6.3 - V 的陶瓷電容旁路到 GND；PGND 引腳為電源地，多個引腳需連接到 GND 并焊接到銅散熱片區(qū)域。

2.2 引腳功能分類

引腳功能主要分為電源與地、串行接口和測試引腳等幾類。電源與地引腳為器件提供穩(wěn)定的電源和接地；串行接口引腳用于控制電機驅(qū)動器的所有功能，通過 16 位串行數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)；測試引腳僅用于工廠測試，不建議連接。

三、規(guī)格參數(shù)

3.1 絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于正確使用器件至關(guān)重要。DRV8823-Q1 的電源電壓 VM 范圍為 -0.3 V 至 34 V，邏輯輸入電壓 VI 范圍為 -0.5 V 至 5.75 V，峰值電機驅(qū)動輸出電流 IO(peak) 內(nèi)部受限，電機驅(qū)動輸出電流 IO 最大為 1.5 A 等。在實際應(yīng)用中，應(yīng)避免超過這些額定值，以免對器件造成永久性損壞。

3.2 電氣特性

電氣特性包括電源供應(yīng)、邏輯電平輸入、過溫保護、電機驅(qū)動器等方面的參數(shù)。例如，VM 工作電源電流在無負(fù)載時為 5 - 8 mA，輸入低電壓 VIL 為 0.7 V，輸入高電壓 VIH 為 2 V，熱關(guān)斷溫度 TTSD 為 150 °C 等。這些參數(shù)為電路設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。

3.3 熱信息

熱信息對于保證器件的正常工作非常關(guān)鍵。DRV8823-Q1 的結(jié)到環(huán)境熱阻 ReJA 為 31.3 °C/W，結(jié)到外殼（頂部）熱阻 Reuc(top) 為 16.3 °C/W，結(jié)到電路板熱阻 ReJB 為 15 °C/W 等。在設(shè)計 PCB 時，應(yīng)充分考慮散熱問題，以確保器件在合適的溫度范圍內(nèi)工作。

四、詳細描述

4.1 功能框圖

DRV8823-Q1 的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括電荷泵和柵極驅(qū)動、穩(wěn)壓器、PWM H 橋驅(qū)動器等部分。通過功能框圖，我們可以更清晰地了解器件的工作原理和信號流程。

4.2 特性描述

4.2.1 PWM 電機驅(qū)動器

器件包含四個 H 橋電機驅(qū)動器和電流控制 PWM 電路，可實現(xiàn)對電機的精確控制。多個 VM 電機電源引腳需連接在一起，以確保電機獲得穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

4.2.2 保護電路

DRV8823-Q1 具備完善的保護電路，包括過流保護（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）、欠壓鎖定（UVLO）和直通電流預(yù)防等功能。這些保護功能可以有效防止器件因過流、過熱、欠壓等異常情況而損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4.3 設(shè)備功能模式

4.3.1 橋控制

通過串行接口寄存器中的 xENBL 位和 xPHASE 位，可以控制每個 H 橋的電流流動和方向。

4.3.2 電流調(diào)節(jié)

采用固定頻率 PWM 電流調(diào)節(jié)（電流斬波）方式，通過比較電流檢測電阻上的電壓與參考電壓來設(shè)置斬波電流。三個串行接口寄存器位可用于縮放每個橋的電流。

4.3.3 衰減模式

支持慢衰減和混合衰減模式。混合衰減模式開始為快速衰減，在 PWM 周期的 75% 時切換到慢衰減模式。通過串行接口寄存器中的 xDECAY 位選擇衰減模式。

4.3.4 消隱時間

在 H 橋中電流啟用后，xISEN 引腳的電壓在固定時間內(nèi)被忽略，消隱時間固定為 3.75 μs，同時也設(shè)置了 PWM 的最小導(dǎo)通時間。

4.4 編程

通過串行數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)對 DRV8823-Q1 的編程。數(shù)據(jù)傳輸由 16 位串行數(shù)據(jù)組成，LSB 優(yōu)先移入 SDATA 引腳。通過設(shè)置串行數(shù)據(jù)中的地址字段選擇控制電機 1 或電機 2 的寄存器。

五、應(yīng)用與實現(xiàn)

5.1 應(yīng)用信息

DRV8823-Q1 可用于驅(qū)動兩個雙極步進電機，在汽車的各種應(yīng)用場景中具有廣泛的應(yīng)用前景。

5.2 典型應(yīng)用

典型應(yīng)用原理圖展示了 DRV8823-Q1 與電機的連接方式，包括電源、電容、電阻等元件的連接。在實際設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)具體需求進行合理的電路布局和元件選擇。

六、電源供應(yīng)建議

在電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中，合適的本地大容量電容至關(guān)重要。電容的大小需要根據(jù)電機系統(tǒng)的最高電流需求、電源的電容和供電能力、電源與電機系統(tǒng)之間的寄生電感、可接受的電壓紋波、電機類型和制動方法等因素來確定。一般來說，數(shù)據(jù)手冊會提供推薦值，但需要進行系統(tǒng)級測試來確定合適的電容大小。同時，大容量電容的電壓額定值應(yīng)高于工作電壓，以提供一定的余量。

七、布局設(shè)計

7.1 布局指南

布局時應(yīng)盡量減小大容量電容與電機驅(qū)動器之間的高電流路徑距離，連接金屬走線寬度應(yīng)盡可能寬，并使用大量過孔連接 PCB 層，以減小電感并允許大容量電容提供高電流。小值電容應(yīng)采用陶瓷電容，并靠近器件引腳放置。高電流器件輸出應(yīng)使用寬金屬走線，器件熱焊盤應(yīng)焊接到 PCB 頂層接地平面，并使用多個過孔連接到底層大接地平面，以幫助散熱。

7.2 熱考慮

7.2.1 功率耗散

DRV8823-Q1 的功率耗散主要由輸出 FET 電阻 (R{DS(ON)}) 決定。可通過公式 (P{TOT }=4 × R{DS(ON)} timesleft(I{OUT(RMS)}right)^{2}) 估算平均功率耗散，其中 (I{OUT(RMS)}) 約為滿量程輸出電流設(shè)置的 0.7 倍。由于 (R{DS(ON)}) 隨溫度升高而增加，在設(shè)計散熱片時需要考慮這一因素。

7.2.2 散熱設(shè)計

PowerPAD 集成電路封裝通過暴露的焊盤散熱，該焊盤必須與 PCB 上的銅熱連接。在多層 PCB 上，可通過添加多個過孔將熱焊盤連接到接地平面；在沒有內(nèi)部平面的 PCB 上，可在 PCB 兩側(cè)添加銅面積散熱。更多 PCB 設(shè)計細節(jié)可參考 TI 應(yīng)用報告 SLMA002 和應(yīng)用簡報 SLMA004。

八、總結(jié)

DRV8823-Q1 是一款功能強大、性能穩(wěn)定的雙步進電機驅(qū)動器，適用于汽車應(yīng)用中的電機控制。在設(shè)計過程中，我們需要充分了解其規(guī)格參數(shù)、功能特性和布局要求，合理選擇元件和進行電路設(shè)計，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，要注意電源供應(yīng)和散熱問題，避免因過熱或電源不穩(wěn)定導(dǎo)致器件損壞。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。