H桥驱动器芯片详解

H桥驱动器芯片详解

上一篇文章讲解了H桥驱动器的控制原理，本文以汽车行业广泛应用的DRV8245芯片为例，详细讲解基于集成电路的H桥驱动器芯片。

1.概述

DRV824x-Q1系列器件是德州仪器（TI）的一款专为汽车应用设计的全集成H桥驱动器，可以配置为单个全桥驱动器或两个独立的半桥驱动器，采用专有的BiCMOS高功率工艺技术节点设计。集成了N沟道H桥、电荷泵稳压器、电流检测和调节、电流比例输出以及保护电路。

为了实现低静态电流，提供了低功耗睡眠模式，还集成了电压监测和负载诊断功能，以及过流和过热保护功能。

2.应用领域

有刷直流（BDC）电机驱动器；

车身控制模块（BCM）：雨刮电机控制；

前车门模块：门锁电机控制；

换档器系统;

方向盘调节模块：转向泵控制；

三电系统和发动机系统。

高边驱动：将可控开关接在电源端，设计相对复杂，可以避免电流反向流动。

底边驱动：将可控开关接在地端，设计简单，能避免电流反向流动。

3.技术细节

DRV824x-Q1系列驱动器为4.5至35V电压范围内工作的有刷直流电机，能支持各种类型和负载的电机，输出负载电流宽泛，集成了H桥输出功率级，可通过MODE功能设置不同的控制模式，驱动单个双向有刷直流电机或两个单向有刷直流电机。同时，设备内置了电荷泵稳压器，支持高效的高侧N沟道MOSFET以100%占空比运行。

DRV824x-Q1系列设备采用单个电源输入（VM），可直接连接到电池或直流电压源。此外，设备还提供了低功耗模式，在系统需要休眠时，最小化电流消耗。

引脚描述

HW变体的引脚描述

SR引脚：在HW变体下使用，斜率控制，用于控制电压或电流信号变化的速率，通过对地电阻的阻值来配置不同的模式。

DIAG引脚：负载类型指示、故障反应配置的设备配置引脚，通过对地电阻的阻值来配置不同的模式。

PH/IN2引脚：桥模式配置输入引脚。

EN/IN1引脚：桥模式配置输入引脚。

DRVOFF引脚：桥高组态输入配置引脚。

VM引脚：电机供电引脚，需要和其他几个VM引脚一起使用，保证供电能力。

OUT1/2引脚：半桥输出1/2，需要和其他几个OUT引脚一起使用，保证供电能力 。

nSLEEP引脚：sleep控制引脚，拉低进入休眠，拉高唤醒。

IPROPI引脚：负载电流反馈引脚。

nFAULT引脚：故障指示引脚，当芯片发生故障时，拉低引脚。

MODE引脚：设备模式配置引脚，通过对地电阻的阻值来配置不同的模式。

ITRIP引脚：高边电流限制配置引脚，通过对地电阻的阻值来配置不同的模式。

SPI变体的引脚描述

大部分引脚功能和HW变体一样，增加了SPI通信的引脚，MODE、DIAG、SR、ITRIP引脚的功能被SPI替代。

3.1 两种硬件接口配置

HW接口的硬件，配置简单，但诊断功能有限。

SPI接口的硬件，配置灵活，诊断功能丰富。

SPI接口的还有一种P变体，没有nSLEEP引脚，不支持睡眠模式。

3.2 功能模式配置

DRV824x-Q1系列设备通过EN/IN1和PH/IN2引脚支持不同的控制方案，并提供了三种独立的控制模式。这些控制模式通过MODE设置来选择，而MODE的设置方式取决于设备是硬件（HW）变体还是SPI变体，对于HW的变体，设置MODE引脚的对地电阻来进入不同的模式，对SPI的变体，通过写入寄存器来设置不同模式。

在HW变体中，MODE引脚在设备初始化期间（即上电后或从睡眠模式唤醒后）被锁定，在运行过程中无法更新。

在设备的SPI变体中，只要SPI通信可用，就可以通过向CONFIG3寄存器中的S_MODE位写入来更改模式设置，这种更改会立即反映出来。

PH/EN模式

在该模式中，两个半桥被配置为作为全桥操作。EN/IN1是PWM输入，PH/IN2是方向输入。

PWM模式

在该模式中，两个半桥被配置为作为全桥操作。EN/IN1在一个方向上提供PWM输入，而PH/IN2在另一个方向提供PWM输入。

独立模式

在该模式中，两个半桥被配置为用作两个独立的半桥。

可以通过SPI寄存器和输入引脚的逻辑操作，实现对模式的组合控制。

3.3 设备功能模式

睡眠模式

睡眠（SLEEP）状态，不适用于SPI的“P”变体，在SLEEP状态下，除了唤醒命令之外，设备不会处理任何功能，所有驱动器都处于高阻态（Hi-Z），内部电源轨（如5V电源轨等）被关闭，nFAULT引脚在此状态下也被撤销断言，设备可以从STANDBY状态或ACTIVE状态进入SLEEP状态，取决于nSLEEP引脚被断言为低电平的时间长度，HW变体，需要的时间长度大于tSLEEP，SPI的“S”变体，需要的时间长度大于tSLEEP_SPI。

待机模式

当nSLEEP = 1'b1（表示非睡眠状态）且DRVOFF = 1'b0（表示驱动器未关闭）时，设备处于此状态，对于PWM模式，还需要IN1/EN和IN2/PH都为1'b1，在此状态下，设备已上电（ISTANDBY），驱动器处于高阻态（Hi-Z），且nFAULT引脚未被断言。设备已准备好根据接收到的命令过渡到ACTIVE状态或SLEEP状态。

激活模式

设备在此状态下完全功能正常，驱动器由其他输入控制，所有保护功能均处于完全工作状态，并在nFAULT引脚上提供故障信号，SPI通信可用，设备只能从STANDBY状态过渡到此状态。

3.4 故障诊断功能

对HW接口的硬件，DIAG引脚接不同阻值的电阻，芯片在发生故障时，将采取不同的恢复机制。

对SPI接口的硬件，通过为寄存器写入不同的值，使芯片在发生故障时，采取对应的恢复机制。

保护机制

当芯片发生过流、过温，待机状态下的负载短路、负载开路，激活状态下的负载开路、尖峰电流，VM的过压和欠压故障时，会将nFAULT引脚拉至GND，当设备过渡到SLEEP状态时，nFAULT引脚会自动取消断言（即不再指示故障状态）。

对于SPI的版本，每当nFAULT引脚被断言为低电平时，设备会将故障记录到FAULT SUMMARY（故障摘要）和STATUS（状态）寄存器中，这些寄存器只能通过以下方式清除：

CLR FLT（清除故障）命令

通过nSLEEP引脚发送的SLEEP（睡眠）命令

为了在一个16位的SPI帧中获取所有有用的诊断信息，以便进行周期性的软件监测，可以通过以下方式实现：

在ACTIVE（激活）状态下读取STATUS1寄存器；

在STANDBY（待机）状态下读取STATUS2寄存器；

通过读取STATUS寄存器，可以唯一地识别所有可诊断的故障事件。

4.实际应用

DRV824x-Q1系列可用于多种需要半桥或H桥功率级配置的应用中，常见的应用包括有刷直流电机、螺线管，各种无源负载，如LED、电阻元件、继电器等。

4.1 HW接口的控制应用实例

负载可根据需要，做全桥双向控制，板桥高边和底边控制。

4.2  SPI接口的控制应用实例

芯片的设置功能，通过SPI接口来实现。

5.总结

本文详细讲解了汽车行业使用较多的一款TI的H桥驱动器芯片，帮助读者了解在工程实际中，H桥驱动芯片不光需要实现其基础的H桥驱动功能，还需要实现电路保护、诊断、通信、低功耗的功能，正是这些辅助功能，才能全面的为汽车的安全行驶保驾护航。

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