在低壓H橋應用中減小布板尺寸和電池消耗的方法

在電機驅動的樓宇自動化和電網基礎設施應用（例如智能電表、智能鎖、互聯網協議(IP)網絡攝像頭和可視門鈴）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：可視門鈴、智能電表和電子智能鎖

為這些應用設計電機驅動系統時，常見的挑戰包括：滿足持久、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；以及滿足各種系統要求。在考慮電機驅動器電流消耗時，需要特別關注：集成電路(IC)和必要的元件板尺寸；設計簡化、靈活性和可擴展性，以滿足多種平臺類型的需求。

降低功耗

對于智能鎖、可視門鈴、煤氣表和水表等電池供電和電機驅動的系統，設計的一個重點在于通過在不主動驅動電機時保持低電流消耗來降低整體功耗，使得消費者不必經常更換電池。如果您對這些應用的實現感興趣，TI提供了適用于電子智能鎖和IP網絡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比較兩種在不驅動電機時降低H橋功耗的方法：

●   電池和電機驅動電路之間的離散負載開關，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50%的PCB空間，并在連接H橋電源時去除了功耗元件。請參閱圖2。

(a)

(b)

圖2 (a) 使用外部截斷開關、具有低功耗睡眠功能的H橋的簡單實現；(b)有自動睡眠模式的TI DRV8210

減小PCB和電機驅動子系統尺寸

現代智能電表和其他低壓電機驅動應用變得越來越先進，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 旋轉式水表的參考設計

這些模塊的數量眾多，這意味著必須確保諸如電機驅動器和周圍元件之類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橋實現，用于驅動低壓有刷直流電機。然而，該H橋不具備一些必要的功能，如過流保護、欠壓鎖定、熱關斷和死區時間控制，這需要額外的固件和硬件方面的工作。

圖4 H橋和基礎周圍電路的離散實現；PCB面積為16mm x 25mm或400mm²

與離散實現相比，DRV8220等電機驅動器（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。查看技術文檔“離散還是集成，風險并不那么大”以詳細了解我們的電機驅動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有刷直流電機驅動器都提供集成的死區時間控制和針對過熱、欠壓鎖定和過流事件的保護功能，從而減少了對額外元件的需求，進一步減小了PCB空間。

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

設計靈活性、簡化、可重用性和可擴展性

樓宇自動化、電網基礎設施和個人電子產品中的許多應用程序都有多個具有不同系統要求的平臺。以設計皂液器、自動馬桶、紙巾分配器和類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型的自動化負載：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管和用于紙巾分配的單向有刷直流電機。

圖6 常見的電機驅動智能衛生設備應用

理想情況下，你可以針對所有這些場景使用靈活的解決方案，但這通常需要花費大量時間和精力來尋找在電壓和電流范圍內支持引腳兼容的離散元件或IC。實現這種簡化、可擴展性和接口靈活性能夠使用相同或相似驅動器驅動不同電機、繼電器、螺線管和其他類型負載。此外，還考慮到了設計的可重用性，從而大大縮短上市時間。

如本文所述，樓宇自動化和電網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器具有靈活、可擴展和易于設計的特點。同時，這些電機驅動系統必須提供強大的低功耗睡眠模式，以最大限度地延長電池運行時間，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。