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2023-11-17 Share: 馬達驅動晶片－DRV8833 TB6612 A4950 L298N的詳解與比較

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一.全H橋電路基礎知識

  • 1.原理圖（以全NMOS管為例）
    • 從上圖可看出，此馬達驅動電路由4個NMOS管構成，形如H型，故名全H橋電路。透過控制4個MOS管的導通與截止達到對中間馬達的不同控制效果。NMOS管的閘極為高電位時導通，低電位時截止。
  • 2.H橋工作模式
    • 正轉模式
      • 當Q1、Q4的閘極為高電平，Q2、Q3為低電位時，Q1，Q4導通，如下圖所示，馬達正向旋轉。
    • 反轉模式
      • 當Q2、Q3的閘極為高電平，Q1、Q4為低電位時，Q2，Q3導通，如下圖所示，馬達反向旋轉。
  • 電流衰減模式
  • 1.此處我也進行大致講解：
    • 所謂衰減模式，可簡單理解為如何使電機停下：如果控制電機一直向一個方向旋轉不會產生問題。但是如果這是想讓馬達停下，那麼問題就來了。由於馬達是感性負載，電流不能突變。在斷開馬達兩端所加總的電壓時，馬達產生的反向電動勢很有可能會損壞FET。因此想讓馬達停下，除了斷開供電，還要形成續流的迴路，釋放掉馬達上的能量。
  • 2.驅動與衰減模式圖：（源自於數據手冊）
    • 圖中添上了FET的寄生二極體。
  • 以左側正向旋轉的圖為例：
    • 1 .首先馬達正向旋轉，電流流向如①線所示；
    • 2 .如果此時採取滑動/快衰減模式：四個MOSFET關斷，馬達上的電流會透過Q2和Q3的寄生二極體繼續流動，如②線所示。可發現，此時電流的流向是與電源電壓相反的，因此電流衰減很快，當電流衰減為0時，由於FET是關閉的，電源電壓不會加在馬達上，電機會逐漸停下。
    • 3 .如果採取煞車/慢衰減模式：Q2、Q4導通，Q1、Q3關斷。馬達上的電流繼續透過Q2和Q4流動，如③線所示，馬達上的能量會逐漸消耗在馬達本身和Q2、Q3上，這樣的電流衰減相對較慢。
  • ★ ★ ★ 有一點要特別注意：快慢衰減指的是電流，而不是馬達轉動的速度。★ ★ ★
    • 控制直流馬達時，在快衰減模式下，由於電流迅速下降，那麼電感馬達上儲存的能量就會釋放很慢(簡單理解E=I^2R),電機會逐漸停止，因此該模式又叫滑動；
    • 而在慢衰減模式下，馬達的兩端類似短接，電流很大且衰減慢，儲存的能量被瞬間釋放，此時電機會瞬間停止，因此該模式又叫制動。
    • 以下這篇文章很好地對其進行了解釋：
  • 3.補充
    • ★H橋中絕對不能出現同側（左側/右側）的FET同時導通的情況，因為這樣會導致電流不經過馬達直接到地，形成短路！因此在狀態切換時需要一步一步來，而整合H橋的晶片一般會在內部自動解決這個問題（利用死區控制），如下圖所示：在正轉和製動之間切換時，會有一個過渡狀態（OFF）。
    • ★此處還需補充一個知識：MOS管的高端與低端驅動。簡單來說，高階驅動即MOS管在負載的高電位一端；相反低端驅動即MOS管在負載的低電位一端。如上圖所示：Q1、Q3為高階驅動，Q2、Q4為低階驅動。在H橋中也常被稱為上臂和下臂。
    • ★此外，如果對MOS管原理有所了解，則可看出，開啟高階NMOS所需的閘極電壓會比開啟低端NMOS所需的閘極電壓大很多(要高於驅動電源電壓）。(因為開啟需要條件Vgs>Vth，而高階MOS導通後的源極電位較高，幾乎接近電源電壓，此時若閘極電壓仍為電源電壓，則又關閉)
    • ★驅動電壓越大，轉速越快；電流越大，扭力越大；
    • ★當扭力<負載時，馬達轉速會下降，電流上升從而增加扭力。當負載非常大，馬達帶不動從而停止轉動時（堵轉），電流達到最大值，此時需特別注意，很有可能燒壞馬達驅動。

二.DRV8833晶片介紹

  • 1.基本介紹
    • 此晶片接線和控制都較為簡單，初學可從此晶片模組入手。
    • 由於驅動直流馬達所需的電流很大，單晶片I/O的驅動能力是遠遠達不到的。因此需要使用專用的馬達驅動晶片。此款馬達驅動晶片即是基於上述的H橋電路。晶片中共有兩個全H橋。因此最多可以同時驅動兩個直流馬達或一個步進馬達。(對於步進馬達的驅動在我的另外一篇文章進行了詳細介紹）
      • ★電源供應電壓2.7~10.8V，每個H橋輸出的均方根（RMS）電流為1.5A，峰值可達2A。
      • ★內建過熱保護和使用者可調的限流保護電路。
  • 2.引腳功能
引腳名稱 腳位標號 I/O 功能 引腳名稱 腳位標號 I/O 功能
nSLEEP 1 I 睡眠模式控制，高電位使能晶片，低電位進入睡眠模式(關閉晶片) BIN1 9 I H橋B的邏輯輸入1腳
AOUT1 2 O H橋A的輸出1腳 BIN2 10 I H橋B的邏輯輸入2腳
AISEN 3 O H橋A的電流控制，可透過一個電阻接地限制電流(不限電流時直接接地），詳見後面介紹 VCP 11 IO 用於高階FET閘極驅動電壓，需要一個10nF,耐壓16V的陶瓷電容接獲VM腳
AOUT2 4 O H橋A的輸出2腳 VM 12 – 馬達電源供應2.7V-10.8V，需要一個10uF的濾波電容接地
BOUT2 5 O H橋B的輸出2腳 GND 13 – 裝置接地腳
BISEN 6 O H橋B的電流控制，可透過一個電阻接地限制電流(不限電流時直接接地），詳見後面介紹 VINT 14 – 晶片內部穩壓器的輸出(3.3V)，需要一個2.2uF,耐壓6.3V的濾波電容接地
BOUT1 7 O H橋B的輸出1腳 AIN2 15 I H橋A的邏輯輸入2腳
nFAULT 8 OD 當溫度過高或通過電流過大時會輸出低電平進行提示 AIN1 16 I H橋A的邏輯輸入1腳
  • ★由於MOS管導通後會產生一定的飽和壓降(Vsat，不同晶片有較大差異，具體看手冊)，因此在選擇驅動電壓VM時，可以接近或比所用馬達額定電壓稍高。
  • ★晶片邏輯電壓VINT的選擇要根據所用單晶片的邏輯電平決定。如果單晶片是5V邏輯電平，則VINT同樣選擇5V輸入。
  • 3.功能框圖
  • 框圖中也包含了晶片外部所需的元件，主要是三個電容以及兩個電流檢測電阻（電阻可不接）。
  • 當溫度過高，溫度偵測保護模組會使nFAULT所接的FET導通拉到低電位,同時H橋轉成衰減模式，不再給馬達供電。
  • 4.結構詳細介紹
  • 1.透過xIN1和xIN2給出四種邏輯組合“00”、“01”、“10”、“11”，然後透過中間的邏輯控制轉換電路令相應的FET導通或截止，從而對應產生四種輸出效果。（需注意：xIN1和xIN2並非直接控制H橋的閘極電壓，僅給出所需功能對應的邏輯組合訊號）
  • 2 .xISEN腳接電阻用於限制通過的電流。整理一下即如下圖。
    • 當馬達轉動時，電流流過電阻，在xISEN處產生電壓（即將電流轉成電壓進行偵測）。再與200mV的參考電壓比較，如果大於200mV，則比較器輸出低電平，同樣使nFAULT拉低，H橋轉成衰減模式，不再給馬達供電。
    • 如果不需要限流，則xISEN腳直接接地即可。
    • 限流電阻大小的選擇：
      • RXISEN = 200 m VICHOP , 其中RXISEN 為所需的電阻值， ICHOP 為設定的限流值。

      • ,其中R_{XISEN}為所需的電阻值，I_{CHOP}為設定的限流值。
  • 5.邏輯控制
  • 下表為最基礎邏輯控製表：
    • 利用此表便可對直流馬達進行簡單的驅動與煞車（此時馬達工作於全速狀態，無速度控制）。
    • 把xIN1和xIN2分別接在單晶片I/O口，xOUT1和xOUT2接在直流馬達兩端。
    • 當控制xIN1為1，xIN2為0時，馬達便正轉。
  • ★再進一步便可藉助PWM對馬達轉速控制，如下表所示：
    • 以xIN1為PWM，xIN2為0為例，馬達在正向轉動模式與快衰減模式之間不斷切換。
    • 波形圖類似如下：前面提到，電壓的大小決定直流馬達轉速。從第三張圖V12=Vout1-Vout2可看出，加在馬達兩端的電壓變化隨著PWM變化，其平均值Vave=D*Vcc（D為PWM佔空比，VCC為驅動電壓）也隨著佔空比的增大而增大，從而速度也相應增加；反之則降低。
    • PWM的頻率一般選在5k~20kHz。
    • 把上表歸納總結一下：
      • 1.當xIN中有一個恆為低電平，另一個為PWM時:採取正反轉與滑動/快衰減，佔空比越大，轉速越快。
      • 2.當xIN中有一個恆為高電平，另一個為PWM時:採取正反轉與煞車/慢衰減，佔空比越小，轉速越快。
  • PWM調速模式下快慢衰減的選擇：
    • ★配合慢衰減調速時，當轉速較低會產生抖動；而配合快衰減調速會更平滑一些。
    • ★配合快衰減調速相比慢衰減調速，速度會更快，但扭力會更小。
  • 6.另外一種DRV8833CPWP型號的差別
  • ★如上圖所示：此晶片在結構上唯一不同之處在於，H橋的高階驅動變成了兩個PMOS管，低階驅動同樣為兩個NMOS管。
  • ★由於PMOS管是閘極為低電位時導通，因此不像前一個晶片需要極大的高階驅動NMOS閘極電壓。該晶片也因此無VINT引腳（該腳位空腳）。
  • ★在性能上，此晶片相當於低電流版本：輸出RMS電流只能0.7A，峰值電流1A。

三.TB6612FNG晶片介紹

  • 1.基本介紹
    • TB6612FNC是東芝半導體公司的一款馬達驅動晶片，也是整合了兩個全H橋。在應用上基本上與DRV8833相似，但性能更好，價格也相對較高。
      • ★電源電源電壓2.5~13.5V，H橋輸出的平均電流1.2A，最大可到3.2A。（可見驅動能力比DRV8833略強）
      • ★內建過熱保護及低電壓偵測關斷電路
      • ★PWM控制的頻率可達100kHZ
  • 2.引腳功能
    • 此晶片的許多引腳其實是重複的，是從同一處引出的，這樣在接線時可增加接觸面積，從而提高可通過的電流。
引腳名稱 腳位標號 I/O 功能 引腳名稱 腳位標號 I/O 功能
AO1 1 O H橋A的輸出1 VM2 13 – 馬達電源供應2.5~13.5V，需要一個100nF和10uF的濾波電容接地
AO1 2 O 同1腳 VM3 14 – 同13腳
PGND1 3 – H橋A的馬達電源地 PWMB 15 I H橋B的PWM輸入
PGND1 4 – 同3腳 BIN2 16 I H橋B的邏輯輸入2
AO2 5 O H橋A的輸出2 BIN1 17 I H橋B的邏輯輸入1
AO2 6 O 同5腳 GND 18 – 信號地
BO2 7 O H橋B的輸出2 STBY 19 I 待機模式控制，高電平（3.3V/5V）使能晶片，低電平進入待機狀態
BO2 8 O 同7腳 VCC 20 – 為內部邏輯電路供電（3.3V/5V均可），需要一個100nF和10uF的濾波電容接地
PGND2 9 – H橋B的馬達電源地，實際與3腳相連 AIN1 21 I H橋A的邏輯輸入1
PGND2 10 – 同9腳 AIN2 22 I H橋A的邏輯輸入2
BO1 11 O H橋B的輸出1 PWMA 23 I H橋A的PWM輸入
BO1 12 O 同11腳 VM1 24 – 同13腳
  • ★一般會將VCC與STBY接在一起然後共同接到3.3V或5V，此時晶片不會進入待機模式。
  • 3.功能框圖
  • 上面框圖中畫出了使用該晶片需要外接的元件（4個濾波電容）。
  • 從上面的TB6612的功能框圖可發現，其與DRV8833最大不同即在輸入控制上，除了輸入1和輸入2，還有一個PWM輸入腳。下面就來看看TB6612具體的控制方式。
  • 4.邏輯控制
  • CW（Clockwise 順時針）：即正向旋轉；
  • CCW（Counterclockwise 逆時針）：即反向旋轉；
  • Stop（自由停車）：即前述的滑動/電流快衰減；
  • Short brake（煞車）：即前述的製動/電流慢衰減；
  • Standby（待機）：即晶片不工作
  • 仔細觀察上表，可發現其相比於DRV8833的控制，不同在於多了一個PWM腳。
    • ★如果令PWM輸入腳一直為高電平，即只透過IN1和IN2控制馬達的四個狀態（旋轉時為滿速狀態），這便是最基礎的控制。
    • ★當加入了PWM後，便可和之前一樣，透過佔空比來調節速度。
      • 1.一種是IN1和IN2固定，PWM腳輸入PWM，此時是配合慢速衰減調速。例如：IN1為1，IN2為0，PWM為PWM，則正轉和慢衰減相互切換；
      • 2. 另一種是PWM腳為高電平，IN1、IN2中的一個固定另一個為PWM輸入，此時是配合快衰減調速。例如，IN1為1，IN2為PWM輸入，PWM為1，則正轉與快速衰減相互切換。
    • ★PWM的頻率一般選在5k~20kHz；

四.A4950晶片介紹

  • 1.基本介紹
    • A4950是美國埃戈羅公司生產的一款單H橋電機驅動晶片。因此網路上賣的模組多是使用兩塊晶片以達到可以控制兩個直流馬達的能力。
      • ★馬達驅動電壓：8~40V，輸出最大電流可達3.5A；
      • ★內建過溫保護，短路保護和可選擇的過電流保護；
  • 2.引腳功能
引腳名稱 腳位標號 I/O 功能
GND 1 – 接地
IN2 2 I H橋邏輯輸入1
IN1 3 I H橋邏輯輸入2
VREF 4 I 邏輯電壓和用於限流比較的電壓，一般接5V
VBB 5 – 馬達驅動電壓(內部對其處理後供給邏輯電路）
OUT1 6 O H橋輸出1
LSS 7 I H橋的電流控制，可透過一個電阻接地限制電流(不限電流時直接接地）
OUT2 8 O H橋輸出2
PAD – – 用於散熱
  • 3.功能框圖
    • 透過引腳說明和功能框圖可看出，此晶片不同之處有：
      • ★只有單H橋，因此引腳較少；
      • ★限流比較的參考電壓由外部給出（VREF腳）；因此限流值Isense=Vref/10/Rsense。如上方的模組中，Vref接5V，Rsense為R250精密檢測電阻（0.25Ω），因此限流值為2A。
      • ★當IN1和IN2都保持低電平1ms，晶片進入待機模式。而不是透過引腳直接控制。
  • 4.邏輯控制
    • 經過比較發現，此晶片的驅動邏輯與上述的DRV8833PWP晶片一模一樣，因此不再單獨講解。

五.L298N晶片介紹

  • 1.基本介紹
    • L298N是ST公司的一款馬達驅動晶片，也是整合了雙H橋，但與上面兩個略有不同。
      • ★馬達驅動電壓3~48V；永續工作的輸出電流為2A，峰值可達3A。
      • ★如上圖，L298N模組明顯比前兩個晶片模組外接的元件多，這與L298N的內部結構有關（下面將介紹）。
      • ★如上圖，由於該晶片在H橋上的損耗嚴重發熱較明顯（飽和壓降大），需要加裝散熱片，因此在使用上比前兩個晶片複雜，體積也相對較大。
  • 2.引腳功能
引腳名稱 腳位標號 I/O 功能 引腳名稱 腳位標號 I/O 功能
Sense A 1 O H橋A的電流控制，可透過一個電阻接地限制電流(不限電流時直接接地） VSS 9 – 給內部邏輯電路供電，一般接5V
Out 1 2 O H橋A的輸出1腳 Input 3 10 I H橋B的邏輯輸入1
Out 2 3 O H橋A的輸出2腳 Enable B 11 I H橋B的啟用控制端，高電位打開，低電位關閉
Vs 4 – 馬達驅動電壓3~48V，需要一個100nF的濾波電容接地 Input 4 12 I H橋B的邏輯輸入2
Input 1 5 I H橋A的邏輯輸入1 Out 3 13 O H橋B的輸出1腳
Enable A 6 I H橋A的啟用控制端，高電平打開，​​低電平關閉
Input 2 7 I H橋A的邏輯輸入2 Sense B 15 O H橋B的電流控制，可透過一個電阻接地限制電流(不限電流時直接接地）
GND 8 – 接地
  • ★由上表可發現：L298N有兩個啟用控制引腳可分別控制兩個H橋是否使能。
  • ★其餘則和前兩支晶片類似。
  • 3.功能框圖
  • 如上圖所示：L298N的內部功能很多都類似，例如電流檢測，H橋驅動，外接電容等；
  • ★主要區別在於L298N的H橋採用了BJT而不是MOSFET。這就直接導致沒有寄生二極體，無法像前兩個晶片一樣實現續流。因此需要外接8個續流二極體。因為頻率不高，選用普通的整流二極體即可（如1N4007）。如下圖所示：
  • ★此晶片的電流檢測腳Sense X並不像前面的晶片，其沒有在內部進行電壓比較從而限流，從數據手冊上看，需要一個L297晶片配合進行限流。因此一般直接接地，不進行限流。
  • 4.邏輯控制
  • 以H橋A為例：
Enable A IN1 IN2 工作模式
0 X X 滑動/快衰減
1 0 0 煞車/慢衰減，用H橋下臂
1 0 1 反轉
1 1 0 正轉
1 1 1 煞車/慢衰減，用H橋上臂
  • 這也是最基礎的控制方式（全速轉動）；
  • ★如果想進行速度的控制，那麼一個方法是對Enable A輸入PWM，當IN1=1，IN2=0時，即在正轉與快衰減之間來回切換，與前面原理類似，佔空比越大，速度越快。

六.總結

  • 1.三款晶片的內部原理和控制方式大同小異。
  • 2.可透過兩個H橋輸出的並聯控制一個直流電機，這樣最大驅動電流可翻倍，這在晶片的資料手冊中均有說明。
  • 3.以上三種晶片驅動能力排序：DRV8833<BT6612<A4950≈L298N;
  • 4.DRV8833、TB6612和A4950的體積小，外接元件少，使用簡單；L298N體積大，外接元件多，使用相對複雜；
  • 5.個人認為：A4950在這4款晶片中是比較好的選擇，雖然價格稍貴且需兩塊晶片才能實現雙H橋。
  • 6.選擇這種整合H橋晶片時，需要考慮的參數有：可承受的工作電流大於馬達的堵轉電流，防止堵轉時驅動晶片燒毀；導通電阻盡可能小，減少晶片的發熱損耗。
  • 7.以上四種晶片所能驅動的電流最大也就3A。對於一些堵轉電流十幾安的馬達來說是遠遠不夠的。此時，所能選擇的整合H橋晶片也很少（英飛凌的BTN系列，價格較高，一般在30元以上）。因此常採取電橋驅動+MOS管的方式自行搭建H橋。

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