TI面向電池供電的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器讓精致小巧耐用的設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)
2012-08-24
作者：電子技術(shù)應(yīng)用：陳穎瑩
一般談到電機(jī)，工程師們自然會(huì)想到工業(yè)應(yīng)用中的大型電機(jī)，但是其實(shí)隨著智能設(shè)備的普及，在很多小型設(shè)備中小型電機(jī)也是無(wú)處不在，例如電動(dòng)牙刷、電子門(mén)鎖、預(yù)付費(fèi)表（水表、氣表、熱表）以及各式各樣的電動(dòng)玩具。不言而喻，這類應(yīng)用對(duì)尺寸、功耗的要求是非常苛刻的，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的好壞就有可能左右產(chǎn)品的成敗了。
一直走在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器行業(yè)最前列的德州儀器(TI)，日前宣布推出業(yè)界最小型1.8 A 有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRV8837，進(jìn)一步壯大其不斷發(fā)展的低電壓DRV8x 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品陣營(yíng)。TI中國(guó)市場(chǎng)推廣經(jīng)理李志林向記者介紹了這款芯片以及TI DRV8x 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品陣營(yíng)的相關(guān)情況。
圖1TI中國(guó)市場(chǎng)推廣經(jīng)理李志林
DRV8837的內(nèi)部架構(gòu)圖如圖2所示。可以看到，它有兩個(gè)電壓源，而且具有的寬泛工作電壓，一個(gè)給芯片供電（VCC），電壓范圍為1.8 V~7 V；一個(gè)直接給電機(jī)供電（VM），電壓范圍為1.8 V~11 V，其電流輸出能力為1.8A連續(xù)值/ 1.8A 峰值，支持多達(dá)6 節(jié)堿性電池或2 節(jié)鋰離子電池組應(yīng)用。李志林經(jīng)理介紹到：“獨(dú)立設(shè)置的電源系統(tǒng)有助于提高整體系統(tǒng)的使用范圍，可有效地防止由于電池電壓瞬間下降而引發(fā)的欠壓保護(hù)，有助于減少系統(tǒng)噪音和提高整體性能。”我們也可以看到DRV8837有兩個(gè)輸出，它既可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)馬達(dá)，也可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)馬達(dá)，因?yàn)镈RV8837支持每組半橋的獨(dú)立控制。設(shè)計(jì)時(shí)，采用低功耗的MCU（如TI的MSP430）控制PWM1、PWM2及nSLEEP接口，就可以完成對(duì)電機(jī)的控制。
圖2 DRV8837的內(nèi)部架構(gòu)圖
與現(xiàn)有器件相比，DRV8837的MOSFET體電阻RDS(ON)僅為280 mΩ，降低了50%，提高散熱性能和電池使用壽命。在極端情況下，即馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電壓為8.5V，占空比為75%，馬達(dá)電流為1.8A時(shí)，它的平均封裝溫度為70℃。DRV8837支持睡眠操作模式（nSLEEP引腳），睡眠電流僅為35 nA，降低了75%，可有效地延長(zhǎng)電池使用壽命。微小型2 mm ×2 mmWSON 封裝支持更小、更時(shí)尚的設(shè)計(jì)，從圖3的對(duì)比圖就可以看到它到底有多小了。它還集成了各種高級(jí)的片上保護(hù)，如過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、貫通以及欠壓保護(hù)，可提高系統(tǒng)可靠性，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。此外，DRV8837還具有剎車(chē)功能，因?yàn)镻WM本身支持剎車(chē)功能，它可以使馬達(dá)突然完全停下來(lái)，而不是慢慢的停下來(lái)，可以在視頻中看到這個(gè)演示：http://m.jysgc.com/video/show.aspx?id=876。
圖3 尺寸對(duì)比
評(píng)估板
DRV8837 評(píng)估板現(xiàn)已開(kāi)始供貨，其特性包括：板載速度、睡眠及方向控制；支持便捷評(píng)估/ 上電的微型USB 連接；板載MSP430 微控制器(MCU) 可全面評(píng)估DRV8837 的性能，為使用外部MCU 提供更高的靈活性；重要控制及測(cè)試點(diǎn)的便捷訪問(wèn)。圖4和圖5分別為電子門(mén)鎖系統(tǒng)架構(gòu)圖（MSP430FR5739 + DRV8837）和氣表系統(tǒng)架構(gòu)圖（MSP430F5438A + DRV8837）,可見(jiàn)超低功耗MCU與低功耗馬達(dá)驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)功耗和更小的系統(tǒng)面積。
圖4 電子門(mén)鎖系統(tǒng)架構(gòu)圖（MSP430FR5739 + DRV8837）
圖5 氣表系統(tǒng)架構(gòu)圖（MSP430F5438A + DRV8837）
DRV8x系列特點(diǎn)及發(fā)展方向
DRV8x系列的產(chǎn)品特點(diǎn)和發(fā)展方向是什么樣的呢？李經(jīng)理簡(jiǎn)單明了地進(jìn)行了闡述。整個(gè)DRV8x驅(qū)動(dòng)馬達(dá)芯片的驅(qū)動(dòng)能力最高可達(dá)60V/60A，將其應(yīng)用在大型步進(jìn)電機(jī)、有刷電機(jī)是非常不錯(cuò)的。步進(jìn)馬達(dá)方案電壓從1.8 V到60 V，電流高至12 A。在傳統(tǒng)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方案中，客戶往往需要一個(gè)性能很好的MCU，但現(xiàn)在把索引表放在驅(qū)動(dòng)中，這樣對(duì)MCU的要求會(huì)少很多，這是一個(gè)發(fā)展方向，即盡量把外設(shè)所需的功能集成進(jìn)去。另外，我們把預(yù)驅(qū)動(dòng)前級(jí)電路和內(nèi)置功率MOS的驅(qū)動(dòng)電路集成進(jìn)去，客戶只要再加上MOS 驅(qū)動(dòng)和MCU就可以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。
有刷直流馬達(dá)電壓從1.8 V到60 V，最大電流達(dá)24 A，內(nèi)置了沖擊電流保護(hù)，這是極其關(guān)鍵的。因?yàn)槊總€(gè)馬達(dá)在開(kāi)機(jī)的一瞬間可能會(huì)短路，此時(shí)，沖擊電流就是電源電壓除以馬達(dá)兩端內(nèi)阻，馬達(dá)內(nèi)阻一般都很低，有的只有2Ω，因此沖擊電流的保護(hù)非常關(guān)鍵，而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手幾乎沒(méi)有這么去做。此外，有刷直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)也是把預(yù)驅(qū)動(dòng)前級(jí)電路和內(nèi)置功率MOS的驅(qū)動(dòng)電路集成進(jìn)來(lái)。
目前整個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行業(yè)都在向無(wú)刷馬達(dá)方向發(fā)展。步進(jìn)馬達(dá)比較適合于做執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而有刷馬達(dá)需要碳刷去換相，它的磨損會(huì)特別大，壽命有限，因此我們?cè)谙嗤w積內(nèi)部做得最多的是三相無(wú)刷電機(jī)。無(wú)刷直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的效率和控制精度都非常高，當(dāng)然它對(duì)芯片以及MCU資源控制要求也是最高的。目前其電壓范圍為8 V~60 V，電流最高達(dá)13 A，內(nèi)部集成電流采樣放大電路和降壓模塊以及預(yù)驅(qū)動(dòng)前級(jí)電路和內(nèi)置功率MOS的驅(qū)動(dòng)電路。
隨著人們對(duì)各種電機(jī)應(yīng)用的要求愈發(fā)苛刻，相信DRV8x系列還有很大的發(fā)展空間。