电机驱动芯片——DRV8833、TB6612、A4950、L298N的详解与比较
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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，此電機驅動電路由4個NMOS管構成，形如H型，故名全H橋電路。通過控制4個MOS管的導通與截止達到對中間電機的不同控制效果。NMOS管的柵極為高電平時導通，低電平時截止。
2.H橋工作模式
正轉模式
當Q1、Q4的柵極為高電平，Q2、Q3為低電平時，Q1，Q4導通，如下圖所示，電機正向旋轉。
反轉模式
當Q2、Q3的柵極為高電平，Q1、Q4為低電平時，Q2，Q3導通，如下圖所示，電機反向旋轉。
電流衰減模式
可打開下面兩篇文章詳細了解。
慢速，混合和快速衰減模式
步進驅動器中的電流衰減
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。但是如果這是想讓電機停下，那么問題就來了。由于電機是感性負載，電流不能突變。在斷開電機兩端所加的電壓時，電機產生的反向電動勢很有可能損壞FET。因此想讓電機停下，除了斷開供電，還要形成一個續流的回路，釋放掉電機上的能量。
2.驅動和衰減模式圖：（來源于數據手冊）
圖中添上了FET的寄生二極管。
以左側正向旋轉的圖為例：
1.首先電機正向旋轉，電流流向如①線所示；
2.如果此時采取滑動/快衰減模式：四個MOSFET關斷，電機上的電流會通過Q2和Q3的寄生二極管繼續流動，如②線所示?？砂l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，由于FET是關斷的，電源電壓不會加在電機上，電機會逐漸停下。
3.如果采取制動/慢衰減模式：Q2、Q4導通，Q1、Q3關斷。電機上的電流通過Q2和Q4繼續流動，如③線所示，電機上的能量會逐漸消耗在電機本身和Q2、Q3上，這樣的電流衰減相對較慢。
★ ★ ★ 有一點需要特別注意：快慢衰減指的是電流，而不是電機轉動的速度。 ★ ★ ★
控制直流電機時，在快衰減模式下，由于電流迅速下降，那么電感電機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，電機的兩端類似于短接，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。
下面這篇文章很好地對其進行了解釋：
The Difference Between Slow Decay Mode and Fast Decay Mode in H-Bridge DC Motor Applications
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電機直接到地，形成短路！因此在狀態切換時需要一步一步來，而集成H橋的芯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：在正轉和制動之間切換時，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，高端驅動即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為高端驅動，Q2、Q4為低端驅動。在H橋中也常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，打開高端NMOS所需的柵極電壓會比打開低端NMOS所需的柵極電壓大很多(要高于驅動電源電壓）。(因為開啟需要條件Vgs>Vth，而高端MOS導通后的源極電位較高，幾乎接近電源電壓，此時如果柵極電壓仍為電源電壓，則又關斷)
★驅動電壓越大，轉速越快；電流越大，扭矩越大；
★當扭矩<負載時，電機轉速會下降，電流上升從而增大扭矩。當負載非常大，電機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，很有可能燒壞電機驅動。
二.DRV8833芯片介紹
1.基本介紹
該芯片接線和控制都較為簡單，初學可從此芯片模塊入手。
由于驅動直流電機需要的電流很大，單片機I/O的驅動能力是遠遠達不到的。因此需要使用專用的電機驅動芯片。此款電機驅動芯片即是基于上述的H橋電路。芯片中共有兩個全H橋。因此最多可以同時驅動兩個直流電機或一個步進電機。(對于步進電機的驅動在我的另外一篇文章進行了詳細介紹）
★電源供電電壓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。
★內置過熱保護和用戶可調的限流保護電路。
2.引腳功能
| nSLEEP | 1 | I | 睡眠模式控制，高電平使能芯片，低電平進入睡眠模式(關閉芯片) | 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，可通過一個電阻接地限制電流(不限電流時直接接地），詳見后面介紹 | VCP | 11 | IO | 用于高端FET柵極驅動電壓，需要一個10nF,耐壓16V的陶瓷電容接到VM腳 |
| AOUT2 | 4 | O | H橋A的輸出2腳 | VM | 12 | – | 電機電源供應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 | – | 器件接地腳 |
| BISEN | 6 | O | H橋B的電流控制，可通過一個電阻接地限制電流(不限電流時直接接地），詳見后面介紹 | VINT | 14 | – | 芯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 |
★由于MOS管導通后會產生一定的飽和壓降(Vsat，不同芯片有較大差異，具體看手冊)，因此在選擇驅動電壓VM時，可以接近或比所用電機額定電壓稍高。
★芯片邏輯電壓VINT的選擇要根據所用單片機的邏輯電平決定。如果單片機是5V邏輯電平，則VINT同樣選擇5V輸入。
3.功能框圖
框圖中也包含了芯片外部所需要的元件，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，溫度檢測保護模塊會使nFAULT所接的FET導通拉到低電平,同時H橋轉成衰減模式，不再給電機供電。
4.結構詳細介紹
1. 通過xIN1和xIN2給出四種邏輯組合“00”、“01”、“10”、“11”，然后通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并非直接控制H橋的柵極電壓，只是給出所需功能對應的邏輯組合信號）
2.xISEN腳接電阻用于限制通過的電流。整理一下即如下圖所示。
當電機轉動時，電流流過電阻，在xISEN處產生電壓（即將電流轉成電壓進行檢測）。然后與200mV的參考電壓比較，如果大于200mV，則比較器輸出低電平，同樣使nFAULT拉低，H橋轉成衰減模式，不再給電機供電。
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?=ICHOP?200mV?,其中RXISEN?為所需的電阻值，ICHOP?為設定的限流值。
5.邏輯控制
下表為最基礎邏輯控制表：
借助此表便可對直流電機進行簡單的驅動與制動（此時電機工作于全速狀態，無速度控制）。
把xIN1和xIN2分別接到單片機I/O口，xOUT1和xOUT2接到直流電機兩端。
當控制xIN1為1，xIN2為0時，電機便正轉。
★再進一步便可借助PWM對電機轉速進行控制，如下表所示：
以xIN1為PWM，xIN2為0為例，電機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電機轉速。從第三個圖V12=Vout1-Vout2可看出，加在電機兩端的電壓變化隨著PWM變化，則其平均值Vave=D*Vcc（D為PWM占空比，VCC為驅動電壓）也隨著占空比的增大而增大，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中有一個恒為低電平，另一個為PWM時:采取正反轉與滑動/快衰減，占空比越大，轉速越快。
2.當xIN中有一個恒為高電平，另一個為PWM時:采取正反轉與制動/慢衰減，占空比越小，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，但扭矩會更小。
6.另外一種DRV8833CPWP型號的區別
★如上圖所示：此芯片在結構上唯一不同之處在于，H橋的高端驅動變成了兩個PMOS管，低端驅動同樣為兩個NMOS管。
★由于PMOS管是柵極為低電平時導通，因此不像前一個芯片需要極大的高端驅動NMOS柵極電壓。該芯片也因此無VINT引腳（該腳位空腳）。
★在性能上，此芯片相當于低電流版本：輸出RMS電流只能0.7A，峰值電流1A。
三.TB6612FNG芯片介紹
1.基本介紹
TB6612FNC是東芝半導體公司的一款電機驅動芯片，也是集成了兩個全H橋。在應用上基本與DRV8833相似，但性能更好，價格也相對較高。
★電源供電電壓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）
★內置過熱保護和低壓檢測關斷電路
★PWM控制的頻率可達100kHZ
2.引腳功能
此芯片的很多引腳其實是重復的，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。
| AO1 | 1 | O | H橋A的輸出1 | VM2 | 13 | – | 電機電源供應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的電機電源地 | 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）使能芯片，低電平進入待機狀態 |
| BO2 | 8 | O | 同7腳 | VCC | 20 | – | 給內部邏輯電路供電（3.3V/5V均可），需要一個100nF和10uF的濾波電容接地 |
| PGND2 | 9 | – | H橋B的電機電源地，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接在一起然后共同接到3.3V或5V，此時芯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芯片需要外接的元件（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（剎車）：即前述的制動/電流慢衰減；
Standby（待機）：即芯片不工作
仔細觀察上表，可發現其相比于DRV8833的控制，不同在于多了一個PWM腳。
★如果令PWM輸入腳一直為高電平，即只通過IN1和IN2控制電機的四個狀態（旋轉時為滿速狀態），這便是最基礎的控制。
★當加入了PWM后，便可和之前一樣，通過占空比調節速度。
1.一種是IN1和IN2固定，PWM腳輸入PWM，此時是配合慢衰減調速。例如：IN1為1，IN2為0，PWM為PWM，則正轉和慢衰減相互切換；
2.另外一種是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，則正轉與快衰減相互切換。
★PWM的頻率一般選在5k~20kHz；
四.A4950芯片介紹
1.基本介紹
A4950是美國埃戈羅公司生產的一款單H橋電機驅動芯片。因此網上賣的模塊多是使用兩塊芯片以達到可以控制兩個直流電機的能力。
★電機驅動電壓：8~40V，輸出最大電流可達3.5A；
★內置過溫保護，短路保護和可選擇的過流保護；
2.引腳功能
| 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 | 邏輯電壓和用于限流比較的電壓，一般接5V |
| VBB | 5 | – | 電機驅動電壓(內部對其處理后供給邏輯電路） |
| OUT1 | 6 | O | H橋輸出1 |
| LSS | 7 | I | H橋的電流控制，可通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 | – | – | 用于散熱 |
3.功能框圖
通過引腳說明和功能框圖可看出，此芯片不同之處有：
★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。如上面的模塊中，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均保持低電平1ms，芯片進入待機模式。而不是通過引腳直接控制。
4.邏輯控制
經過對比發現，此芯片的驅動邏輯與上述的DRV8833PWP芯片一模一樣，因此不再單獨講解。
五.L298N芯片介紹
1.基本介紹
L298N是ST公司的一款電機驅動芯片，也是集成了雙H橋，但與上面兩個略有不同。
★電機驅動電壓3~48V；可持續工作的輸出電流為2A，峰值可達3A。
★如上圖，L298N模塊明顯比前兩個芯片模塊外接的元件多，這與L298N的內部結構有關（下面將介紹）。
★如上圖，由于該芯片在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芯片復雜，體積也相對較大。
2.引腳功能
| Sense A | 1 | O | H橋A的電流控制，可通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的使能控制端，高電平打開，低電平關閉 |
| Vs | 4 | – | 電機驅動電壓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的使能控制端，高電平打開，低電平關閉 | Out 4 | 14 | O | H橋B的輸出2腳 |
| 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，可通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有兩個使能控制引腳可分別控制兩個H橋是否使能。
★其余則和前兩個芯片類似。
3.功能框圖
如上圖所示：L298N的內部功能很多都類似，比如電流檢測，H橋驅動，外接電容等；
★主要區別在于L298N的H橋采用了BJT而不是MOSFET。這就直接導致沒有寄生二極管，無法像前兩個芯片一樣實現續流。因此需要外接8個續流二極管。因為頻率不高，選用普通的整流二極管即可（如1N4007）。如下圖所示：
★此芯片的電流檢測腳Sense X并不像前面的芯片，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芯片配合進行限流。因此一般直接接地，不進行限流。
4.邏輯控制
以H橋A為例：
| 0 | X | X | 滑動/快衰減 |
| 1 | 0 | 0 | 制動/慢衰減，用H橋下臂 |
| 1 | 0 | 1 | 反轉 |
| 1 | 1 | 0 | 正轉 |
| 1 | 1 | 1 | 制動/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，那么一種方法是對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，占空比越大，速度越快。
六.總結
★1.三款芯片的內部原理和控制方式大同小異。
★2.可通過兩個H橋輸出的并聯控制一個直流電機，這樣最大驅動電流可翻倍，這在芯片的數據手冊中均有說明。
★3.以上三種芯片驅動能力排序：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，使用相對復雜；
★5.個人認為：A4950在這4款芯片中是比較好的選擇，雖然價格稍貴且需兩塊芯片才能實現雙H橋。
★6.選擇這種集成H橋芯片時，需要考慮的參數有：可承受的工作電流要大于電機的堵轉電流，防止堵轉時驅動芯片燒毀；導通電阻盡可能小，減少芯片的發熱損耗。
★7.以上四種芯片所能驅動的電流最大也就3A。對于一些堵轉電流十幾安的電機來說是遠遠不夠的。此時，所能選擇的集成H橋芯片也很少（英飛凌的BTN系列，價格較高，一般在30元以上）。因此常常采取電橋驅動+MOS管的方式自行搭建H橋。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的电机驱动芯片——DRV8833、TB6612、A4950、L298N的详解与比较的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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