步进电机控制芯片UDN2916LB原理及应用

UDN2916LB是SANKEN公司推出的一款两相步进电机双极驱动集成电路，能够驱动双绕组双极步进电机，特别适用于目前国内税控市场双步进微型打印机电机的控制。

UDN2916LB适用的电机电压范围为10～45V，逻辑电压不能超过7V；通过内部脉宽调制控制器(PWM)可实现最大750mA的输出电流；内置1/3和2/3分割器；逻辑输入实现1相/2相/W1-2phase激励模式；内置过热和交叉电流保护功能；集成钳位二极管；内置防止低压误操作等保护功能。UDN2916LB内部结构如图所示，芯片有两组电路构成，每组电路由PWM控制器、电桥及辅助电路组成。



图1 UDN2916LB内部结构框图

PWM电流控制电路

每个PWM控制器由一组电桥、一个外部检测电阻(RS)、一个内部比较器和一个多谐振荡器组成，来独立检测和控制输出电流，如图2所示。



图2 PWM电流控制电路

当电桥导通时，电机线圈中电流开始增大，电流通过外部检测电阻产生的检测电压也在增大。当检测电压达到比较器输入端设定电压值时，线圈中电流ITRIP=VREF/10RS，这时比较器触发单稳态关闭电桥的源驱动。内部逻辑和转换开关的延迟(td)典型值为2μs，这种延迟会导致实际负载电流峰值稍高于理论值。当电桥关闭后，电机电流开始衰减，通过地钳位二极管和接收晶体管回流。源驱动关闭时间toff由单稳态的外部RC决定，toff=RTCT，一般RT取值范围在20～100kΩ，CT取值范围在100～1000pf。PWM输出电流波形见图3，负载电流路径见图4。



图3 PWM输出电流波形



图4 负载电流路径

芯片5脚和9脚外接电阻RT和电容CT，RT和CT组成的RC电路产生固定频率信号，作为内部单稳多谐振荡器的振荡源，该振荡器和比较器共同作用将采样的电流大小反应到源输出端。当电流值达到理论设定值时，源输出端变为无效，当电流值小于理论设定值时，源输出端变为有效。其中RC参数选择比较重要，设计时往往会忽略其参数要求。如使用不当，会引起芯片烧坏，或发出噪声等异常现象。

实际电路设计应用中，对RT和CT参数取值容易忽略，RT取值精度应不低于1%，CT应选用NPO类型和精度不低于5%的电容，这样可以有效固定toff时间，达到电流的最佳控制。而采样电阻取值大小决定了步进电机线圈电流的大小，电阻大了，则线圈电流太小，步进电机驱动无力；电阻小了，则线圈电流太大，会烧坏步进电机线圈。UDN2916LB最大输出电流Ioutput=0.75A。

假设采样电阻Rs使用1.0Ω高精度电阻，参考电压取最大为5V时，要求最大输出电流IOUTPUT=VREF/(10×RS)=5/(10×1)=0.5A。电阻功率P=I2R=0.5×0.5×1=0.25W＜0.5W。因此，采样电阻Rs功率用0.5W就够了。

输出电流的逻辑控制

两个输入逻辑信号(l0和I1)用于选择电机线圈电流，可设定为最大电流的100%、67%、33%或0%。0%的输出电流值说明电桥关闭了所有驱动，并且也作为一个输出特性。电流控制真值表见表1。



表1

减少和分散功耗

UDN2916LB电路设计时需要充分考虑热设计，因为驱动IC消耗的大部分能量主要为在突变关闭期间马达再生电流造成，马达产生的再生电流流过电流检测电阻和地钳制二极管重新流回马达，产生的电压跌落引起了能量消耗，地钳位二极管上的瞬时电压(VF)出现了最大的跌落，产生了主要的功耗。

设计电路时，如果在驱动IC输出端外加肖特基二极管，并且只要这些肖特基二极管的VF特性值比内部地钳位二极管小，马达产生的再生电流将会有一部分从外部肖特基二极管重新回流到马达，使流经驱动IC内部的电流减少，降低了驱动IC的功耗，反过来也就提高了热性能。电路如图5所示。



图5 采用肖特基二极管提高热性能的电路

电路及地的布线图示例

由于UDN2916LB是一种斩波式电源驱动IC，设计时需要特别注意周围地的布线。可独立作为模拟地和数字地单点连接，也可用低阻抗的大面积敷铜板做为地，如图6所示。



图6 电路及地的布线图示例

应用电路

图7是UDN2916LB的应用电路。



图7 UDN2916LB应用电路

图7电路中所使用的器件参数如下。

IC：UDN2916LB
C1：100μF/35V
C2：0.1μF
C3：470pF，NPO
C4：470pF，NPO
C5：4700pF
C6：4700pF
R1：56kΩ(1%)
R2：56kΩ(1%)
R3：12kΩ
R4：1kΩ
R5：1kΩ
R6：1.43Ω(1%)，1W
R7：1.43Ω(1%)，1W
D1：11EQS06(肖特基二极管，2A)
D2：11EQS06(肖特基二极管，2A)
D3：11EQS06(肖特基二极管，2A)
D4：11EQS06(肖特基二极管，2A)

流经马达的工作电流理论设定值=5/(10×1.43)=350MA。正常控制输出电流波形见图8。图中的方波1是电机的相位波形，波形2是流经马达的工作电流。流经马达的工作电流实测值=71×5MA=355MA。实测值和理论设定值基本吻合，满足设计要求。



图8 正常控制输出电流波形