SGM42622B低電壓雙H橋步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用詳解

在電子工程師的日常工作中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)常見且關(guān)鍵的組件。今天，我們就來詳細(xì)探討一下SGMICRO推出的SGM42622B低電壓雙H橋步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，看看它有哪些特點(diǎn)、如何應(yīng)用以及相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)。

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一、產(chǎn)品概述

SGM42622B是一款集成了控制邏輯和低 (R_{DSON}) MOSFET功率級的低電壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用小巧的TQFN封裝。它適用于電池供電的應(yīng)用場景，能夠進(jìn)入接近零功耗的待機(jī)模式，從而延長電池使用壽命。同時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器具備一套完整的保護(hù)功能，包括過流、短路和熱關(guān)斷保護(hù)。

二、產(chǎn)品特性

1. 電源與電流特性

• 寬電源電壓范圍：電機(jī)電源電壓范圍為1.8V至12V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 高輸出電流能力：最大RMS輸出電流可達(dá)1.3A，能滿足大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求。
• 低導(dǎo)通電阻：在+25℃時(shí)， (R_{DSON}) （HS + LS）僅為0.5Ω，可有效降低功率損耗。

2. 微步進(jìn)能力

具備高達(dá)1/256的微步進(jìn)分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)的電機(jī)控制，使電機(jī)運(yùn)行更加平滑，減少振動(dòng)和噪音。

3. 電流控制與保護(hù)

• 自適應(yīng)混合電流衰減模式：可根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整電流衰減模式，提高控制效率。
• 可編程關(guān)斷時(shí)間：通過外部電阻可以靈活設(shè)置PWM的關(guān)斷時(shí)間，以滿足不同的應(yīng)用需求。
• 全面保護(hù)功能：包括無損過流保護(hù)、短路保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)，確保驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的安全運(yùn)行。

4. 低功耗與寬溫度范圍

• 超低待機(jī)電流：待機(jī)電流小于80nA，有助于延長電池壽命。
• 寬工作溫度范圍：可在-40℃至+85℃的環(huán)境溫度下正常工作，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

5. 環(huán)保封裝

采用綠色TQFN - 3×3 - 16L封裝，符合RoHS和HSF標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)保且易于焊接。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

SGM42622B的應(yīng)用范圍廣泛，常見于以下領(lǐng)域：

• 玩具：為玩具提供精確的運(yùn)動(dòng)控制，使玩具的動(dòng)作更加靈活和逼真。
• 游戲機(jī)：實(shí)現(xiàn)游戲機(jī)中電機(jī)的精確驅(qū)動(dòng)，提升游戲體驗(yàn)。
• 機(jī)器人：用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，確保機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。
• 銷售點(diǎn)設(shè)備：如自動(dòng)售貨機(jī)、打印機(jī)等，可實(shí)現(xiàn)精確的紙張傳輸和物品分配。
• 打印機(jī)：控制打印機(jī)的步進(jìn)電機(jī)，保證打印質(zhì)量和速度。

四、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了SGM42622B的典型應(yīng)用電路，包含了電源濾波電容、電流檢測電阻、邏輯輸入引腳等關(guān)鍵元件。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求合理選擇元件參數(shù)，確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。

五、引腳配置與功能

1. 引腳配置

SGM42622B采用TQFN - 3×3 - 16L封裝，各引腳具有不同的功能，包括方向輸入、步進(jìn)時(shí)鐘輸入、輸出引腳、電源引腳、接地引腳等。

2. 引腳功能說明

• DIR/MODE4：方向輸入或步進(jìn)模式選擇輸入4。
• STCK/MODE3：步進(jìn)時(shí)鐘輸入或步進(jìn)模式選擇輸入3。
• OUTA1、OUTA2、OUTB1、OUTB2：H橋輸出引腳，用于連接步進(jìn)電機(jī)。
• SENSEA、SENSEB：電流檢測引腳，通過連接小阻值的檢測電阻到電源地，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流的檢測。
• REF：電流設(shè)定參考電壓輸入，用于調(diào)整輸出電流的大小。
• TOFF：內(nèi)部振蕩器頻率調(diào)整引腳，通過外部電阻設(shè)置PWM的關(guān)斷時(shí)間。
• EN/nFAULT：5V邏輯兼容的功率級使能輸入或告警輸出引腳，可用于控制功率級的開啟和關(guān)閉，并在出現(xiàn)故障時(shí)輸出告警信號。
• STBY/RESET：5V邏輯兼容的待機(jī)輸入引腳，拉低該引腳可使器件進(jìn)入低功耗模式。
• MODE1、MODE2：步進(jìn)模式選擇輸入1和2，與MODE3、MODE4配合使用，可選擇不同的步進(jìn)模式。

六、電氣特性

1. 電源相關(guān)特性

• 電源電壓范圍：1.8V至12V，VCC開啟電壓為1.1V至1.8V，關(guān)閉電壓為1V至1.64V，具有180mV的滯回電壓。
• 電源電流：在不同工作狀態(tài)下，電源電流有所不同，待機(jī)電流小于80nA。

2. 功率級特性

• 導(dǎo)通電阻：在不同電源電壓和輸出電流條件下，導(dǎo)通電阻有所變化，典型值為0.43Ω至0.65Ω。
• 上升時(shí)間和下降時(shí)間：在VCC = 10V、空載輸出時(shí)，上升時(shí)間和下降時(shí)間均為40ns。
• 死區(qū)時(shí)間：為260ns，可避免H橋上下管同時(shí)導(dǎo)通，提高電路的安全性。

3. 電流控制特性

• 傳感偏移：在VREF = 0.5V、內(nèi)部參考為20% VREF時(shí)，傳感偏移為-15mV至15mV。
• 關(guān)斷時(shí)間：可通過外部電阻ROFF進(jìn)行編程，范圍為9μs至106μs。
• 慢衰減時(shí)間和快衰減時(shí)間：分別為5/8 × tOFF和3/8 × tOFF。

4. 邏輯IO特性

• 高邏輯電平輸入電壓：在-40℃至+85℃的溫度范圍內(nèi)，為1.6V。
• 低邏輯電平輸入電壓：在-40℃至+85℃的溫度范圍內(nèi)，為0.6V。
• EN低邏輯電平輸出電壓：在IEN = 4mA時(shí)，為0.8V。

5. 保護(hù)特性

• 熱關(guān)斷閾值：為170℃，熱關(guān)斷滯回為40℃。
• 過流保護(hù)閾值：為2A。

七、功能描述

1. 待機(jī)和上電

通過將STBY/RESET輸入引腳拉低至 (V_{STBYL}) 閾值以下，可使器件進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)控制器的電源電流顯著降低，功率級關(guān)閉，輸出處于高阻態(tài)。當(dāng)器件退出待機(jī)模式時(shí)，控制器將像上電一樣重新啟動(dòng)。

2. 微步進(jìn)序列器

• 模式選擇：MODEx輸入的4位二進(jìn)制值在器件上電或退出待機(jī)模式后被鎖存。在正常操作中，MODE3和MODE4輸入作為步進(jìn)時(shí)鐘（STCK）和方向（DIR）輸入。當(dāng)MODE1和MODE2都為低電平時(shí)，器件將進(jìn)入全步模式，忽略鎖存值。當(dāng)MODE1或MODE2輸入恢復(fù)為高電平時(shí)，將恢復(fù)之前的操作模式。
• 序列器工作原理：序列器是一個(gè)10位計(jì)數(shù)器，用于設(shè)置PWM電流控制器的參考和H橋電流方向。計(jì)數(shù)器在上電或待機(jī)后復(fù)位為零，并在STCK的每個(gè)上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)DIR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器遞增；當(dāng)DIR為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器遞減。

3. PWM電流控制

每個(gè)橋都有獨(dú)立的PWM電流控制器。橋電流通過檢測引腳和檢測電阻從負(fù)極流向地，檢測引腳電壓與相電流成正比，并與基于序列器值和VREF設(shè)置的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)檢測電壓超過參考電壓時(shí)，比較器觸發(fā)關(guān)斷時(shí)間和衰減序列。在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，電流先以慢速衰減，然后以快速衰減。

4. 設(shè)置PWM關(guān)斷時(shí)間

PWM的總關(guān)斷時(shí)間（慢速衰減 + 快速衰減）通過TOFF引腳和地之間的外部電阻ROFF進(jìn)行編程。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，需要在ROFF上并聯(lián)一個(gè)小的串聯(lián)RC分支。

5. 過流保護(hù)（OCP）

當(dāng)任何FET中的電流超過預(yù)設(shè)的過流閾值時(shí)，H橋中的所有FET將被禁用約16ms，EN/nFAULT引腳將被拉低。16ms后，芯片恢復(fù)運(yùn)行，EN/nFAULT引腳釋放。過流保護(hù)獨(dú)立于PWM電流控制的電流檢測電路，與ISENSE電阻值或VREF電壓無關(guān)。

6. 熱關(guān)斷

當(dāng)芯片溫度超過最大安全溫度閾值時(shí)，將發(fā)生熱關(guān)斷事件。此時(shí)，EN/nFAULT引腳被內(nèi)部開漏MOSFET拉低，禁用功率級。當(dāng)芯片溫度回到安全范圍（ (T{J}{TSD}-T_{HYS}) ）時(shí)，EN/nFAULT引腳釋放。