步進電機控制芯片UDN2916LB原理及應用

       摘要：UDN2916LB是SANKEN公司推出的一款2相步進電機雙極驅動集成電路（IC），特別適用于目前國內稅控市場雙步進微型打印機電機的控制，本文介紹了UDN2916LB性能特點、內部結構和設計考慮，同時給出了由UDN2916LB組成的雙步進微型打印機電機應用電路。

關鍵詞：UDN2916LB，雙步進微型打印機

       引言：隨著國家“金稅”工程進一步推進， 2005年近百家企業取得稅控收款機生產許可證，容量達3000萬臺的稅控市場即將井噴。據估計大約三分之一稅控收款機市場將安裝雙步進微型打印機來打印發票。控制該類型步進電機驅動芯片UDN2916LB市場應用將極為廣泛。

       原理介紹：UDN2916LB是一款能夠驅動雙繞組雙極步進電機的IC。適用的電機電源電壓范圍為10V-45V，邏輯電源電壓不能超過7V；通過內部脈寬調制控制器（PWM）實現750mA的輸出電流；同時還具有例如：內置1/3和2/3分割器，通過邏輯輸入實現1-phase/2-phase/W1-2phase激勵模式，內置過熱和交叉電流保護功能，集成鉗制二極管，內置防止低壓誤操作保護功能。UDN2916LB內部結構如下圖：芯片有兩組電路構成，每組電路由PWM控制器、電橋及輔助電路組成。見圖1

1,PWM電流控制電路：

每個PWM控制器由一組電橋、及其外部一個感應電阻（Rs）、一個內部比較器和一個單穩多諧振蕩器組成，來獨立感應和控制輸出電流。見圖2

 當電橋導通時，電機線圈中電流開始增大，電流通過外部感應電阻產生的感應電壓也在增大，當感應電壓達到比較器輸入端設定電壓值時，線圈中電流ITRIP = VREF/10 RS ，比較器此時觸發單穩態關閉電橋的源驅動。由于內部邏輯和轉換開關的延遲會導致實際負載電流峰值稍高于理論值，這種延遲（td）典型值為2µs。當電橋關閉后，電機電流開始衰減，通過地鉗位二極管和接收晶體管回流。源驅動關閉時間由單穩態的外部RC決定toff = RTCT，一般RT取值范圍在20K～100K，CT取值范圍在100pF～1000Pf。PWM輸出電流波形見圖3，負載電流路徑見圖4

 

  被設定的源驅動關閉時間toff應該小于46 µs（既：此時電流斬波頻率處于聽覺范圍臨界點），同時盡可能長，以便正確調節輸出電流。因為只減緩延遲（如關閉時間小于10 µs）來控制電流，就需要額外的努力來確保電流正確調節。在使用短關閉時間時，不利于正確有效調節電流的幾個因素有以下幾個：較高的電機工作電壓、較低的負載、較長的脈沖消失時間。當源驅動重新有效時，線圈電流（感應電壓）又被允許上升到比較器的設定值。這種自循環可有效實現電機在可控電流值情況下正常工作。
 

       帶有高分布電容的負載可能會導致較高的打開電流峰值，這種電流峰值（通過RS時出現）將達到比較器的臨界點，導致錯誤的電流控制或高頻震蕩。一個外部RCCC時間延遲被用于進一步延遲比較器的動作。根據負載類型，許多應用并不需要這些外部器件（SENSE引腳直接連到E引腳）。    

2，輸出電流的邏輯控制

       兩個輸入邏輯信號（l0 和 I1）用于數字選擇電機線圈電流在其最大水平的百分比，100%, 67%, 33%, or 0%。0%的輸出電流值說明電橋關閉了所有驅動并且也作為一個輸出特性。電流控制真值表如下：見表1

3，減少和分散功耗

提高熱性能的方法是在4個輸出端和地之間分別增加肖特基二極管，因為驅動IC消耗的大部分能量主要為在突變關閉期間馬達再生電流造成，馬達產生的再生電流流過電流檢測電阻和地鉗制二極管重新流回馬達，通過這種路徑產生的電壓跌落引起了能量消耗，在這個路徑上地鉗制二極管上的瞬時電壓（VF）出現了最大的跌落。意味著外加的肖特基勢二極管將會提高驅動IC的熱性能，只要這些肖特基勢二極管的VF特性值比內部地鉗制二極管小。外部二極管也能對驅動IC分散一部分消耗（熱源）和減小能量耗散（PD），也可以得到較大輸出電流。見圖5

4，電路及地的布線圖示例：

       由于UDN2916LB是一種斬波式電源驅動IC，設計時需要特別注意周圍地的布線。可獨立作為模擬地和數字地單點連接或也可用低阻抗的大面積銅皮作為地。見圖6

應用電路：圖7給出的應用電路已在實際產品中應用，控制雙步進微型打印機需要兩個UDN2916LB。

結束語：UDN2916LB具有接口簡單、使用方便、便于精密輸出控制等特點，同時又具備防止過溫、防止誤操作等特點，能夠滿足對雙步進微型打印機的可靠控制。