在低壓H橋應(yīng)用中減小布板尺寸和電池消耗的方法

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的樓宇自動(dòng)化和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用（例如智能電表、智能鎖、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)網(wǎng)絡(luò)攝像頭和可視門鈴）中，有多種設(shè)計(jì)低壓系統(tǒng)的方法，如圖1所示。

圖1 電池供電系統(tǒng)：可視門鈴、智能電表和電子智能鎖

為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，常見的挑戰(zhàn)包括：滿足持久、彈性和安全的電機(jī)運(yùn)行需求；不斷縮小的印刷電路板(PCB)空間；以及滿足各種系統(tǒng)要求。在考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電流消耗時(shí)，需要特別關(guān)注：集成電路(IC)和必要的元件板尺寸；設(shè)計(jì)簡化、靈活性和可擴(kuò)展性，以滿足多種平臺(tái)類型的需求。

降低功耗

對(duì)于智能鎖、可視門鈴、煤氣表和水表等電池供電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)在于通過在不主動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)保持低電流消耗來降低整體功耗，使得消費(fèi)者不必經(jīng)常更換電池。如果您對(duì)這些應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)感興趣，TI提供了適用于電子智能鎖和IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)紅外截止濾光器的參考設(shè)計(jì)。

下面我們將使用如下器件來比較兩種在不驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)降低H橋功耗的方法：

●   電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間的離散負(fù)載開關(guān)，用于連接或移除電源；

●   TI的DRV8210 等器件，具有專用的低功耗睡眠模式，其典型睡眠電流為37nA。

與第一種器件相比，第二種器件減少了多達(dá)50%的PCB空間，并在連接H橋電源時(shí)去除了功耗元件。請(qǐng)參閱圖2。

(a)

(b)

圖2 (a) 使用外部截?cái)嚅_關(guān)、具有低功耗睡眠功能的H橋的簡單實(shí)現(xiàn)；(b)有自動(dòng)睡眠模式的TI DRV8210

減小PCB和電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)尺寸

現(xiàn)代智能電表和其他低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用變得越來越先進(jìn)，集成了傳感、無線和有線通信、電源管理和許多其他模塊，如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)式水表的參考設(shè)計(jì)

這些模塊的數(shù)量眾多，這意味著必須確保諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和周圍元件之類的子系統(tǒng)使用盡可能少的PCB空間。圖4示出了一種常用的離散H橋?qū)崿F(xiàn)，用于驅(qū)動(dòng)低壓有刷直流電機(jī)。然而，該H橋不具備一些必要的功能，如過流保護(hù)、欠壓鎖定、熱關(guān)斷和死區(qū)時(shí)間控制，這需要額外的固件和硬件方面的工作。

圖4 H橋和基礎(chǔ)周圍電路的離散實(shí)現(xiàn)；PCB面積為16mm x 25mm或400mm²

與離散實(shí)現(xiàn)相比，DRV8220等電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（其封裝規(guī)格為4mm2或1.92mm2）可將PCB空間減少93%或以上，如圖5所示。查看技術(shù)文檔“離散還是集成，風(fēng)險(xiǎn)并不那么大”以詳細(xì)了解我們的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如何減少布板空間和元件數(shù)量。此外，包括DRV8220在內(nèi)的所有TI有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都提供集成的死區(qū)時(shí)間控制和針對(duì)過熱、欠壓鎖定和過流事件的保護(hù)功能，從而減少了對(duì)額外元件的需求，進(jìn)一步減小了PCB空間。

圖5 DRV8220DSG集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器布局；PCB面積為4.5mm x 4.4mm，或19.8mm²

設(shè)計(jì)靈活性、簡化、可重用性和可擴(kuò)展性

樓宇自動(dòng)化、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和個(gè)人電子產(chǎn)品中的許多應(yīng)用程序都有多個(gè)具有不同系統(tǒng)要求的平臺(tái)。以設(shè)計(jì)皂液器、自動(dòng)馬桶、紙巾分配器和類似應(yīng)用的智能衛(wèi)生設(shè)備公司為例，如圖6所示。這些應(yīng)用需要不同類型的自動(dòng)化負(fù)載：用于分配閥的雙向有刷直流電機(jī)、用于沖洗定量閥的鎖上螺線管和用于紙巾分配的單向有刷直流電機(jī)。

圖6 常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)智能衛(wèi)生設(shè)備應(yīng)用

理想情況下，你可以針對(duì)所有這些場景使用靈活的解決方案，但這通常需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力來尋找在電壓和電流范圍內(nèi)支持引腳兼容的離散元件或IC。實(shí)現(xiàn)這種簡化、可擴(kuò)展性和接口靈活性能夠使用相同或相似驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)不同電機(jī)、繼電器、螺線管和其他類型負(fù)載。此外，還考慮到了設(shè)計(jì)的可重用性，從而大大縮短上市時(shí)間。

如本文所述，樓宇自動(dòng)化和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的眾多低壓和電池供電平臺(tái)要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有靈活、可擴(kuò)展和易于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。同時(shí)，這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須提供強(qiáng)大的低功耗睡眠模式，以最大限度地延長電池運(yùn)行時(shí)間，并且只占用PCB一小部分面積，以便為其它系統(tǒng)元件留出足夠的空間。