【導讀】近年來，隨著人們健康意識的增強，亞健康、中國老年、商旅辦公等人群的擴大，以及智能化按摩椅產品的不斷更新升級，具有良好按摩保健功效的按摩椅正逐步獲得廣大消費者的認可。從電機的種類上來看，有刷電機因其簡單的控制方式和優良的轉矩控制特性，在調速領域一直占有主導地位。為了提高功率，按摩椅中的驅動往往采用12/24V有刷電機，考慮到電機運轉中的瞬態電壓，往往會采用40-50V耐壓范圍的驅動芯片。
本文會著重介紹TI集成MOSFET的有刷電機驅動芯片的電流輸出級特性，以及如何增強驅動峰值電流。
有刷電機驅動芯片的電流輸出
圖表 1：DRV8840輸出級
由于在按摩椅的使用場景中，經常會遇到重載啟動或高轉矩運轉的情況，下面先對有刷電機驅動的輸出電流部分進行分析：
有刷電機的速度由加在電機電樞兩端的電壓決定，方向由芯片內部集成的H橋來控制，速度越快時產生的反電動勢越大。下面公式中I為流過電機線圈的電流，U為電機兩端外加電壓，E為反電動勢，R為線圈電阻。
當電機堵轉或者剛啟動時，速度為0則反電動勢為0，此時電流最大，對應了驅動芯片帶載能力。為了避免堵轉時電流過大燒毀電機，TI的BDC驅動芯片都具有限流功能，以DRV8840（圖表 1）為例，通過在ISEN引腳上串聯一個采樣電阻，將這個電壓與參考電壓VREF進行比較，得到限流閾值：
這個大電流會通過Rsense采樣電阻，往往這個電阻會采用毫歐級別的功率電阻，占板面積較大。并且在按摩椅的一些應用場合中需要采集此電流值，來判斷電機的輸出扭矩，這時還需要一顆額外的運放以增大ADC的輸入阻抗，再通過ADC來實現電流采集。在傳統的有刷電機驅動應用中，這種方式最為普遍，占用的PCB板面積也最大。
有刷電機驅動芯片新特性
在TI最新的50V耐壓的有刷電機驅動芯片中，例如DRV8256（圖表 2），內部采用了電流鏡的技術，在啟動期間和高負載事件中，集成電流感測可實現通過驅動器調節電機浪涌電流。結合可調外部電壓基準Vref，可設置電流限值。
這種技術無需大功率分流電阻器，可以節省電路板面積并降低系統成本，但也失去了預留在外的電流路徑，這樣對于一些需要采集總電流的場合也不適用。值得注意的是無法在OUT1和OUT2引腳之間，再串接采樣電阻，這個電流是雙向變化的，同時對地共模電壓也非常高，無須也沒必要再額外引入一路浮地的運放和電源。同樣也不建議在PGND引腳和地之間串接采樣電阻，這樣會破壞PGND（功率地）和GND（邏輯地）之間的電勢差，導致控制邏輯出錯。
圖表 2：DRV8256輸出級
又或者參考TI另一顆有刷電機驅動芯片DRV8251A（圖表 3），芯片內部的電流鏡將通過下管MOSFET的電流鏡像成一個電流源，縮小一個AIPROPI（uA/A）系數，通過外接在IPROPI引腳上的一個大電阻（kΩ）轉換成一個電壓值VIPROPI，再接入ADC的輸入端進行電流采集。這種比例電流鏡的方式不但省去了一個mΩ級的大個頭采樣電阻，內部電流源產生的采樣電壓專供采樣電阻，輸入阻抗足夠大，可以直接進ADC采樣端。
圖表 3：DRV8251A輸出級
并聯驅動芯片以提高帶載能力
由于TI的有刷電機驅動芯片內置MOSFET，Rds-on決定了持續電流通過時的發熱量，當溫升超過節溫限制時芯片將強制進入OTP保護，并在溫度回落或者固定時長后auto retry。當負載的電流需求超過了單顆有刷電機驅動芯片的電流峰值時，除了了選用更大封裝，優化散熱盤layout之外，還有一種并聯驅動芯片以提高電流輸出能力的方法。
如圖表 4所示：將兩顆相同的DRV8251A輸入和輸出級并聯，電流會均分到兩顆芯片內部的H橋中，在不觸發過流保護的前提下增加了輸出端的驅動能力。
圖表 4：并聯DRV8251A提高電流輸出能力
在調整芯片限流值時有以下兩點需要注意：
● 前面提到的芯片限流值由IPROP和Vref兩個引腳上的電壓比較決定的，一般會使用同一個3V電源軌來對Vref引腳進行供電。如果分別對兩顆芯片進行電流采樣，且采樣電阻上使用的是常見的1%精度的貼片電阻，往往會在IPROP引腳上引入一個最高2%的誤差，這會意味著兩顆芯片的限流值不同。
● 不同芯片中H橋的MOSFET內阻并不完全一致，如果僅將輸入輸出引腳并聯，會導致電流無法平均流向兩顆芯片。疊加以上兩點，限流值不同的兩顆芯片驅動能力并不是簡單的相加關系，一顆芯片進入限流狀態時由于負載過大，會導致另一顆芯片也進入限流狀態。
一個簡單的解決方案是將兩顆芯片的Vref引腳用同一個電源軌供電，將IPROP引腳連到同一個采樣電阻上，這樣可以保證兩顆芯片的限流值一樣，輸出電流也呈線性關系。
作者：Sirui Zhu
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