A4950全橋DMOS PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：特性、功能與應(yīng)用詳解

在電子工程師的日常工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)常見且關(guān)鍵的領(lǐng)域。今天我們要深入探討的是Allegro MicroSystems推出的A4950全橋DMOS PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它在電機(jī)控制方面有著出色的表現(xiàn)。

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一、特性與優(yōu)勢

1. 低導(dǎo)通電阻輸出

A4950具有低 (R_{DS (on) }) 輸出，這意味著在電機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中，能夠有效降低功率損耗，提高能源效率。

2. 全面的過流保護(hù)

它具備多種過流保護(hù)功能，包括電機(jī)短路保護(hù)、電機(jī)引線對(duì)地短路保護(hù)以及電機(jī)引線對(duì)電池短路保護(hù)。這些保護(hù)機(jī)制能夠確保在異常情況下，驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)不受損壞。

3. 低功耗待機(jī)模式

當(dāng)兩個(gè)輸入引腳（INx）同時(shí)低電平持續(xù)超過1ms時(shí)，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，此時(shí)大部分內(nèi)部電路，如電荷泵和調(diào)節(jié)器都會(huì)被禁用，從而降低功耗。

4. 可調(diào)PWM電流限制

通過選擇合適的 (R_{S}) 和VREF引腳的電壓，可以設(shè)置電流限制的最大值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流的精確控制。

5. 同步整流

在PWM關(guān)斷周期，負(fù)載電流會(huì)進(jìn)行再循環(huán)。A4950的同步整流功能會(huì)在電流衰減期間開啟合適的DMOSFET，用低 (R_{DS (on) }) 驅(qū)動(dòng)器有效短接體二極管，顯著降低功率損耗。

6. 內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng) (V_{BB}) 電壓低于UVLO閾值時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器會(huì)被禁止開啟，防止因電壓不足而損壞驅(qū)動(dòng)器。

7. 交叉電流保護(hù)

在橋路從快速衰減模式切換到慢速衰減模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)強(qiáng)制關(guān)閉一段時(shí)間（交叉延遲 (t_{COD}) ），防止橋路出現(xiàn)直通現(xiàn)象。

8. 溫度等級(jí)多樣

有商業(yè)溫度等級(jí)（A4950E：–40°C 至 85°C）和汽車溫度等級(jí)（A4950K：–40°C 至 125°C）可供選擇，滿足不同應(yīng)用場景的需求。其中A4950K還通過了AEC - Q100 Grade 1認(rèn)證。

二、產(chǎn)品概述

A4950專為直流電機(jī)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制而設(shè)計(jì)，能夠提供高達(dá) ±3.5 A的峰值輸出電流，工作電壓可達(dá)40 V。它通過外部施加的PWM控制信號(hào)來控制直流電機(jī)的速度和方向，內(nèi)部同步整流控制電路可降低PWM運(yùn)行期間的功耗。同時(shí)，內(nèi)部電路保護(hù)涵蓋了過流保護(hù)、電機(jī)引線對(duì)地或電源短路保護(hù)、帶滯后的熱關(guān)斷、 (V_{BB}) 欠壓監(jiān)測以及交叉電流保護(hù)等。

三、技術(shù)參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

2. 熱特性

在不同的PCB條件下，A4950的熱阻有所不同。在2層PCB（每側(cè)有0.8 (in^2) 暴露的2盎司銅）上，熱阻 (R_{θJA}) 為62 oC/W；基于JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的4層PCB上，熱阻為35 oC/W。

3. 電氣特性

在不同溫度和電壓條件下，A4950的各項(xiàng)電氣參數(shù)也有所差異。例如，在 (T{J}=25^{circ} C) （溫度范圍E版本）和 (T{J}=-40^{circ} C) 至 150°C（溫度范圍K版本）， (V{BB}=8) 至 40 V時(shí)，負(fù)載電源電壓范圍為8 - 40 V， (R{DS(on)}) 在不同電流和溫度條件下也有不同的值。

四、功能描述

1. 設(shè)備操作

A4950通過內(nèi)部固定關(guān)斷時(shí)間的脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制電路來調(diào)節(jié)輸出全橋中的電流。IN1和IN2輸入允許通過兩根線對(duì)橋路進(jìn)行控制，輸出驅(qū)動(dòng)器均為低 (R_{DS (on) }) 的N溝道DMOS驅(qū)動(dòng)器，具備內(nèi)部同步整流功能以降低功耗。

2. 待機(jī)模式

當(dāng)兩個(gè)輸入引腳（INx）同時(shí)低電平持續(xù)超過1ms時(shí)，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。從待機(jī)模式恢復(fù)時(shí)，在向設(shè)備發(fā)出任何PWM命令之前，應(yīng)允許電荷泵達(dá)到其調(diào)節(jié)電壓（最大延遲30 μs）。

3. 內(nèi)部PWM電流控制

初始時(shí)，一對(duì)對(duì)角的源極和漏極FET輸出被啟用，電流通過電機(jī)繞組和可選的外部電流感測電阻 (R{S}) 。當(dāng) (R{S}) 兩端的電壓等于比較器的觸發(fā)值時(shí)，電流感測比較器會(huì)重置PWM鎖存器，從而關(guān)閉源極和漏極FET（混合衰減模式）。電流限制的最大值由 (R{S}) 和VREF引腳的電壓決定，計(jì)算公式為 (I{TripMAX }=frac{V{REF}}{10 × R{S}}) 。

4. 過流保護(hù)

電流監(jiān)測器可保護(hù)IC免受輸出短路造成的損壞。如果檢測到短路，IC會(huì)鎖定故障并禁用輸出。故障鎖存只能通過退出低功耗待機(jī)模式或?qū)?(V_{BB}) 進(jìn)行電源循環(huán)來清除。

5. 熱關(guān)斷

當(dāng)芯片溫度升高到約160°C時(shí)，全橋輸出將被禁用，直到內(nèi)部溫度降至滯后溫度 (T_{TSDhys }) （15°C）以下。

6. 制動(dòng)

制動(dòng)功能通過在慢速衰減模式下驅(qū)動(dòng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，即對(duì)兩個(gè)輸入施加邏輯高電平。這種配置可以有效地短路電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢（BEMF），但在高速和高慣性負(fù)載等最壞情況下，要注意確保不超過設(shè)備的最大額定值。

7. 同步整流

在PWM關(guān)斷周期，負(fù)載電流再循環(huán)時(shí)，A4950的同步整流功能會(huì)開啟合適的DMOSFET，用低 (R_{DS (on) }) 驅(qū)動(dòng)器短接體二極管，降低功率損耗。當(dāng)檢測到零電流水平時(shí)，同步整流會(huì)關(guān)閉，防止負(fù)載電流反向。

8. 混合衰減操作

橋路在混合衰減模式下工作。當(dāng)達(dá)到觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，設(shè)備在固定關(guān)斷時(shí)間的50%內(nèi)進(jìn)入快速衰減模式，之后切換到慢速衰減模式。在從快速衰減到慢速衰減的過渡期間，驅(qū)動(dòng)器會(huì)強(qiáng)制關(guān)閉一段時(shí)間（交叉延遲 (t_{COD}) ），以防止橋路出現(xiàn)直通現(xiàn)象。

五、應(yīng)用信息

1. 感測引腳（LSS）

為了使用PWM電流控制，需要在LSS引腳和地之間放置一個(gè)低值電阻用于電流感測。為了最小化感測輸出電流水平時(shí)的接地走線IR降，電流感測電阻應(yīng)具有獨(dú)立的接地返回至星型接地點(diǎn)，且走線應(yīng)盡可能短。同時(shí)，在選擇感測電阻的值時(shí)，要確保在最大負(fù)載下LSS引腳的電壓不超過 ±500 mV。

2. 接地

星型接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近A4950。設(shè)備暴露的散熱墊正下方的銅接地平面是一個(gè)很好的星型接地點(diǎn)，散熱墊可為此目的連接到地。

3. 布局

PCB應(yīng)具有厚的接地平面。為了獲得最佳的電氣和熱性能，A4950必須直接焊接到電路板上。其封裝底部的暴露散熱墊可提供增強(qiáng)的散熱路徑，必須直接焊接到PCB的暴露表面以實(shí)現(xiàn)最佳的熱傳導(dǎo)。此外，還可以使用熱過孔將熱量傳遞到PCB的其他層。負(fù)載電源引腳 (V_{BB}) 應(yīng)使用一個(gè)電解電容（通常為100 μF）與一個(gè)較低值的陶瓷電容并聯(lián)進(jìn)行去耦，且電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。

4. 物料清單

六、總結(jié)

A4950全橋DMOS PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器憑借其豐富的特性和出色的性能，為直流電機(jī)控制提供了一個(gè)可靠的解決方案。無論是在商業(yè)應(yīng)用還是汽車應(yīng)用中，它都能滿足不同的需求。電子工程師在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，合理選擇A4950，并按照其應(yīng)用信息進(jìn)行布局和設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。你在使用類似電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。