在低壓H橋應用中減小布板尺寸和電池消耗的方法

在電機驅動(dòng)的樓宇自動(dòng)化和電網(wǎng)基礎設施應用（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(mén)鈴）中，有多種設計低壓系統的方法，如圖1所示。

圖1 電池供電系統：可視門(mén)鈴、智能電表和電子智能鎖

為這些應用設計電機驅動(dòng)系統時(shí)，常見(jiàn)的挑戰包括：滿(mǎn)足持久、彈性和安全的電機運行需求；不斷縮小的印刷電路板(PCB)空間；以及滿(mǎn)足各種系統要求。在考慮電機驅動(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；設計簡(jiǎn)化、靈活性和可擴展性，以滿(mǎn)足多種平臺類(lèi)型的需求。

降低功耗

對于智能鎖、可視門(mén)鈴、煤氣表和水表等電池供電和電機驅動(dòng)的系統，設計的一個(gè)重點(diǎn)在于通過(guò)在不主動(dòng)驅動(dòng)電機時(shí)保持低電流消耗來(lái)降低整體功耗，使得消費者不必經(jīng)常更換電池。如果您對這些應用的實(shí)現感興趣，TI提供了適用于電子智能鎖和IP網(wǎng)絡(luò )攝像機紅外截止濾光器的參考設計。

下面我們將使用如下器件來(lái)比較兩種在不驅動(dòng)電機時(shí)降低H橋功耗的方法：

●   電池和電機驅動(dòng)電路之間的離散負載開(kāi)關(guān)，用于連接或移除電源；

●   TI的DRV8210 等器件，具有專(zhuān)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50%的PCB空間，并在連接H橋電源時(shí)去除了功耗元件。請參閱圖2。

(a)

(b)

圖2 (a) 使用外部截斷開(kāi)關(guān)、具有低功耗睡眠功能的H橋的簡(jiǎn)單實(shí)現；(b)有自動(dòng)睡眠模式的TI DRV8210

減小PCB和電機驅動(dòng)子系統尺寸

現代智能電表和其他低壓電機驅動(dòng)應用變得越來(lái)越先進(jìn)，集成了傳感、無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通信、電源管理和許多其他模塊，如圖3所示。

圖3 旋轉式水表的參考設計

這些模塊的數量眾多，這意味著(zhù)必須確保諸如電機驅動(dòng)器和周?chē)?lèi)的子系統使用盡可能少的PCB空間。圖4示出了一種常用的離散H橋實(shí)現，用于驅動(dòng)低壓有刷直流電機。然而，該H橋不具備一些必要的功能，如過(guò)流保護、欠壓鎖定、熱關(guān)斷和死區時(shí)間控制，這需要額外的固件和硬件方面的工作。

圖4 H橋和基礎周?chē)娐返碾x散實(shí)現；PCB面積為16mm x 25mm或400mm²

與離散實(shí)現相比，DRV8220等電機驅動(dòng)器（其封裝規格為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)險并不那么大”以詳細了解我們的電機驅動(dòng)器如何減少布板空間和元件數量。此外，包括DRV8220在內的所有TI有刷直流電機驅動(dòng)器都提供集成的死區時(shí)間控制和針對過(guò)熱、欠壓鎖定和過(guò)流事件的保護功能，從而減少了對額外元件的需求，進(jìn)一步減小了PCB空間。

圖5 DRV8220DSG集成電機驅動(dòng)器布局；PCB面積為4.5mm x 4.4mm，或19.8mm²

設計靈活性、簡(jiǎn)化、可重用性和可擴展性

樓宇自動(dòng)化、電網(wǎng)基礎設施和個(gè)人電子產(chǎn)品中的許多應用程序都有多個(gè)具有不同系統要求的平臺。以設計皂液器、自動(dòng)馬桶、紙巾分配器和類(lèi)似應用的智能衛生設備公司為例，如圖6所示。這些應用需要不同類(lèi)型的自動(dòng)化負載：用于分配閥的雙向有刷直流電機、用于沖洗定量閥的鎖上螺線(xiàn)管和用于紙巾分配的單向有刷直流電機。

圖6 常見(jiàn)的電機驅動(dòng)智能衛生設備應用

理想情況下，你可以針對所有這些場(chǎng)景使用靈活的解決方案，但這通常需要花費大量時(shí)間和精力來(lái)尋找在電壓和電流范圍內支持引腳兼容的離散元件或IC。實(shí)現這種簡(jiǎn)化、可擴展性和接口靈活性能夠使用相同或相似驅動(dòng)器驅動(dòng)不同電機、繼電器、螺線(xiàn)管和其他類(lèi)型負載。此外，還考慮到了設計的可重用性，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)基礎設施應用中的眾多低壓和電池供電平臺要求電機驅動(dòng)器具有靈活、可擴展和易于設計的特點(diǎn)。同時(shí)，這些電機驅動(dòng)系統必須提供強大的低功耗睡眠模式，以最大限度地延長(cháng)電池運行時(shí)間，并且只占用PCB一小部分面積，以便為其它系統元件留出足夠的空間。