步進電機驅動芯片A3977問題解答

 

問：A3977有多少種細分模式？

答：全步、半步、四細分、八細分。

 

問：A3977是否僅僅設計用來代替管腳兼容的舊款產品？

答：不，A3977可提供比市面上絕大多數的二相雙極性步進電機驅動產品更加經濟、易用的解決方案。在以前要使用兩個或更多芯片的設計項目中，現在僅使用一片A3977即可實現原先的全部功能。

 

問：譯碼器和驅動器集成在同一芯片中有什么好處？

答：譯碼器和驅動器集成在同一芯片中可大為降低系統資源的消耗，以前的二相雙極性步進電機驅動產品需要占用6-8個端口，而A3977最少只需兩個端口（步進脈沖、方向）即可。

 

問：輸入端是否需要上拉或下拉電阻？

答：不需要，輸入端可直接連接正電源（Vdd）或地（GND）。如確實需要上拉或下拉電阻，建議阻值1K歐。

 

問：A3977提供了哪些保護功能？

答：

過熱停機（TSD）；

欠壓停機（UVLO）；

錯相短路保護；

穩壓器、電荷泵電壓監控；

 

問：A3977電機驅動電壓****是多少？

答：任何情況下都不得超過35V。

 

問：數據手冊上提到的±2.5 A驅動能力，是指的整個芯片還是每一相H橋？

答：是指的還是每一相H橋標稱±2.5 A驅動能力。另外要注意芯片運行時結溫不能超過150°C。

 

問：A3977需要什么外圍器件？

答：

1，Rs1和Rs2，兩個用于PWM恒流控制的電流采樣電阻，此電阻應選用無感電阻。阻值的計算請參照以下公式：

Rs = 0.5 / Itripmax

在保證性能的前提下，盡量減小Rs阻值可降低能耗，改善散熱狀況。采樣電阻上應并聯一0.1 μF無極性陶瓷電容；

2，CP1和CP2腳之間必須連接一0.22 μF無極性陶瓷電容；

3，Vreg腳和地之間應連接一0.22 μF無極性陶瓷電容；

4，邏輯電源（Vdd）建議加0.1 μF無極性陶瓷電容退耦；

5，電機驅動電源建議加47μF以上的電解電容退耦，如果考慮斬波頻率較高，還可并聯一0.1 μF無極性陶瓷電容；

6，PFD端應對地接一0.1 μF無極性陶瓷電容。

 

問：PCB布線上應注意什么問題？

答：采樣電阻應盡量接近芯片，其接地端應通過單獨的路徑連接芯片的接地端。地線應盡可能地粗。電機驅動電源上的退耦電解電容應盡量靠近芯片。

 

問：A3977的控制方式是恒流控制還是恒壓控制？

答：恒流控制。芯片內部的脈寬調制恒流斬波電路控制電機繞組電流，外部的阻容回路設置斬波周期中的關段時間。

 

問：線路板需要多大面積的敷地才能夠保證大電流工作時損耗最小？

答：至少要芯片封裝面積的兩倍大。

問：有沒有降低芯片功耗的技巧？

答：在輸出端相對驅動電源和地之間外接正向壓降比較低的肖特基箝位二極管，可以降低芯片本身的功耗。也可以安裝散熱器，但效率不高。注意：如果外接箝位二極管的話，一定要禁止SR功能才能讓外接的二極管發揮****作用。

問：有沒有關于外接二極管的應用筆記？

答：每一個輸出端都要和VBB之間連接一個肖特基二極管（二極管負極接VBB），同時也要和地之間連接一個肖特基二極管（二極管正極接地，不要連接到SENSE端）。當使用整步模式或者PFD設置為全部慢衰減的時候，連接到VBB的四個二極管可省去，它們對降低系統功耗沒有作用。

 

問：有沒有推薦的肖特基二極管型號？

答：我們通常不推薦某一特定型號，請根據實際應用場合選擇耐壓和電流合適的產品即可。

 

問：A3977可否使用在便攜設備中？

答：當然可以。A3977有休眠功能，在不工作的時候可大大降低功耗。在睡眠狀態下，芯片只消耗20μA的電流。邏輯電源范圍是3.0v到5.5v，可適應大部分電池供電的產品。

 

問：運行的時候可否改變細分數？

答：可以。只要達到時序要求即可。從高細分數改變為低細分數****是電流值處于到初始值的時候（HOME端輸出為低）。相對的，如果從低細分數改變為高細分數（如二細分改為四細分），由于四細分運行兩步后將達到和二細分相同的輸出電流（具體請參見數據手冊table2），編碼器在下一步的時候將不會改變電流值，再下一步的時候將直接輸出二細分表中相應的電流。

 

如果在改變細分數的時候想保持電機勻速，當從高細分改為低細分的時候，步進脈沖也應相應地進行2，4或8倍頻。應在電流值正好為低細分的某一個值上時改變。

 

相對應地，如果在改變細分數的時候想保持電機勻速，當從低細分改為高細分的時候，步進脈沖也應相應地進行2，4或8分頻。如果從高細分改為低細分的時候，當前輸出的電流在低細分表中不存在，那么譯碼器在下一步將跳到低細分的下一步，但不會實際改變電流值，再輸入一步的時候，芯片將實際輸出相應的低細分表中的電流。例如，從八細分的第二步改為全步，那么輸入下一個步進脈沖的時候，輸出電流不變。再輸入一個步進脈沖，電流值將直接跳到全步的第三步。效果相當于電機在八細分下走了十一步。

 

問：電流衰減模式是怎么樣自動選擇的？

答：A3977能在相應的時候自動設置合適的電流衰減模式。當下一步輸出的電流要比當前低時，電流衰減模式為混合衰減（可由PFD端控制快/慢衰減時間各占的比例）。當下一步輸出的電流要比當前高時，電流衰減模式為慢衰減。芯片上電復位的時候，兩個橋都是混合衰減模式。

 

 

1　引　言 

　　隨著微步進電機應用的日益廣泛，其驅動電路的發展也相當迅速，各類控制芯片的功能越來越豐富，操作也越來越簡便。A3977是一種新近開發出來、專門用于雙極型步進電機的微步進電機驅動集成電路，其內部集成了步進和直接譯碼接口、正反轉控制電路、雙H橋驅動，電流輸出2．5A，****輸出功率可接近90W。它主要的設計功能包括：自動混合模式電流衰減控制，PWM電流控制，同步整流，低輸出阻抗的DMOS電源輸出，全、半、1／4及1／8步進操作，HOME輸出，休眠模式以及易實現的步進和方向接口等。其應用電路結構簡單、使用及控制方便，有著極其廣泛的應用價值。 

2　A3977工作特點 

　　大多數微步進電機驅動器都需要一些額外的控制線，通過D／A轉換器為PWM電流調節器設置參考值以及通過相輸入完成電流極性控制等。許多改進型驅動器仍然需要一些輸入來調整PWM電流控制模式使其工作在慢、快或混合衰減模式。這就需要系統的微處理器額外負擔8～12個需依靠D／A變換處理的輸入端。如果一個系統需要如此多的控制輸入，而且其微處理器還要存儲實現其控制的時序表，這就增加了系統的成本和復雜程度。 

 

　　A3977可以通過其特有的譯碼器來使這些功能實現簡單化，如圖1所示，其******的步進輸入只需“STEP”（步進）和“DIR”（方向）2條輸入線，輸出由DMOS的雙H橋完成。通過“STEP”腳簡單的輸入1個脈沖就可以使電機完成1次步進，省去了相序表，高頻控制線及復雜的編程接口。這使其更適于應用在沒有復雜的微處理器或微處理器負擔過重的場合。同時A3977的內部電路可以自動地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰減模式。這不但降低了電機工作時產生的噪聲，也同時省去了一些額外的控制線。 

　　另外，其內部低輸出阻抗的N溝道功率DMOS輸出結構，可以使其輸出達到2．5A，35V。這一結構的另一優點是，使它能完成同步整流功能。由于有同步整流流功能，既降低了系統的功耗，又可以在應用時省去外加的肖特基二極管。 

    A3977的休眠功能可以使系統不工作時的功耗達到****。休眠時芯片的大部分內部電路，如輸出DMOS、比較器及電荷泵等都將停止工作。從而在休眠模式時，包括電機驅動電流在內的總電流消耗在40μA以內。此外，內部保護電路還有利用磁滯實現的熱停車、低壓關斷及換流保護等功能。 

集成電路的主要特點： 

    （1）額定輸出為：±2．5A，35V。 

    （2）低輸出阻抗，源端0．45Ω，接收端0．36Ω。 

　　（3）自動電流衰減檢測并選擇混合、快和慢等電流衰減模式。 

    （4）邏輯電平范圍為3．0～5．5V。 

    （5）HOME輸出。 

    （6）降低功耗的同步整流功能。 

　　（7）內部低壓關斷、熱停車電路及環流保護。 

3　A3977引腳說明 

　　A3977有兩種封裝：一種是44引腳銅標塑封（后綴為ED，A3977SED），另一種是28引腳帶散熱襯墊的塑封（后綴為LP，A3977SLP），其引腳功能說明如表1所示。 

　　電荷泵CP1、CP2可以產生一個高于VBB的門電平，用來驅動DMOS源端的門。其實現方法是在CP1和CP2之間接一個0．22μF的陶瓷電容。同時VCP和VBB間也需要一個0．22μF的陶瓷電容作為一個蓄能器，用來操作DMOS的高端設備。 

　　VREG是由系統內部產生，用于對DMOS漏端輸出進行操作。VREG引腳須對地加一個0．22μF的陶瓷電容作為一個蓄能器，用來操作DMOS的高端設備。 

　　VREG是由系統內部產生，用于對DMOS漏端輸出進行操作。VREG引腳須對地加一個0．22μF的電容去耦。VREG是受內部的電平調節器控制的，發生故障時其輸出是被禁止的。 

　　RC1和RC2引腳是為內部PWM電路提供固定截止時間的。A3977的內部PWM控制電路是用一個脈沖來控制器件的截止時間的。而這個脈沖的—84—截止時間toff就是由RC1和RC2引腳對地所接的電阻RT和電容CT決定的，即： 

　　toff＝RT CT 

　　式中，電阻RT和電容CT的取值范圍分別為12～100kΩ及470～1 500pF〉 

　　另外，除了可以為內部PWM控制提供截止時間外，CT還為比較器提供了關斷時間tBLANK。A3977的設計要求當其輸出由內部電流控制電路切換時，電路取樣比較器的輸出是被禁止的。從而可以防止對過電流檢測作出誤判斷。tBLANK的取值為： 

　　tBLANK＝1400CT 

　　ENABLE輸入為低電平有效，它是DMOS輸出的使能控制信號。RESET輸入也是低電平有效，當其為低電平時，DMOS的輸出將被關斷，所有的步進邏輯輸入也將被忽略直至其輸入變高為止。 

4　基本功能說明及應用電路 

　　由于采用了內置譯碼器技術，A3977可以很容易的使用最少的控制線對步進電機實施微步進控制。具體功能實現如下： 

　　（1）步進控制：步進控制信號有步進輸入（STEP）、步進模式邏輯輸入（MS1，MS2）以及方向控制信號（DIR）。每一次上電或復位（RESET＝0）后，在內置譯碼器的作用下將H橋的輸出預置到HOME輸入所對應的輸出狀態，然后當STEP輸入的上升沿到來后，內置譯碼器將根據步進邏輯的輸入值（步進模式見表2）控制H橋的輸出，使電機在當前步進模式下產生1次步進。 

　　步進的方向由DIR的輸入邏輯控制，其高、低電平分別控制雙相電機正反轉。 

 

    注：①全步進轉過的角度為45°。 

　　（2）內部PWM電流控制：每一個H橋都有一個有固定截止時間的PWM電流控制電路，以限制其負載電流在一個設計值。初始時，對角線上的一對源接收DMOS（一對上下橋臂）處于輸出狀態，電流流經電機繞組和SENCE腳所接的電流取樣電阻（見圖1）。當取樣電阻上的壓降等于D／A的輸出電壓時，電流取樣比較器將PWM鎖存器復位，從而關斷源驅動器（上橋臂），進入慢衰減模式；或同時關斷源接收驅動器（上下橋臂）進入快或混合衰減模式，使產生環流或電流回流至源端。該環流或回流將持續衰減至固定截止時間結束為止。然后，正確的輸出橋臂被再次啟動，電機繞組電流再次增加，整個PWM循環完成。 

　　其中，****限流Imax是由取樣電阻RS和電流取樣比較器的輸入電平VREF控制的： 

　　Imax＝VREF／8RS固定截止時間toff的計算如上所述。 

　　（3）電流衰減模式控制：A3977具有自動檢測電流衰減及選擇電流衰減模式功能，從而能給微步進提供****的正弦電流輸出。電流衰減模式由PFD的輸入進行控制，其輸入電平的高低控制輸出電流處于慢、快及混合衰減模式。如果PFD的輸入電壓高于0．6VDD，則選擇慢衰減模式。如果PFD的輸入電壓低于0．21VDD，則選擇快衰減模式。處于二者之間的PFD電平值將選擇混合衰減模式。 

　　其中混合衰減模式將一個PWM周期的固定截止時間分為快、慢兩個衰減部分。當電流達到****限流Imax后，系統將進入快衰減模式直至SENCE上的取樣電壓衰減至PFD的端電壓VPFD。經過tFD的快衰減后，器件將切換至慢衰減模式直至固定截止時間結束。 

    其中，器件工作在快衰減模式的時間tFD為： 

    tFD＝RTCrln（0．6VPFD／VPFD） 

　　（4）同步整流控制：同步整流控制是由SR的邏輯輸入控制的。當SR輸入為低電平時，同步整流功能將被啟動。此期間，當檢測到電流為零值時，可通過關閉同步整流功能來防止負載電流反向，從而防止了電機繞組反方向導通。而當SR輸入為高電平時，同步整流將被禁止。 

　　（5）休眠模式：當SLEEP引腳輸入為低電平時，器件將進入休眠模式，從而大大降低器件空閑的功耗。進入休眠模式后器件的大部分內部電路包括DMOS輸出電路、調節器及電荷泵等都將停止工作。當其輸入為高電平時，系統恢復到正常的操作狀態并將器件的輸出預置到HOME狀態。 

　　（6）典型應用電路：其典型應用電路如圖1所示，可見其應用電路是非常簡單的，其正常工作時僅需5個邏輯輸入即可。 

5　應用注意事項 

   （1）PFD引入端應加一個0．1μF的電容去耦。　　 

　　（2）布線時應布一個較厚的地層，****在本器件周圍布上星形地。 

    （3）****將芯片直接焊接在線路板上。 

　　（4）為VBB引腳加一個大于47μF的電解電容去耦（越靠近芯片越好）。 

　　（5）為保證輸出電流取樣的精確，****使取樣電阻有自己單獨的地，并將其連到器件周圍的星形地 

上，而且引線越短越好。 

　　（6）當系統由休眠模式退出后，最少要延遲1ms才可以輸入步進命令，從而為驅動DMOS的電荷泵復位提供充裕的時間 

 

主要特點及應用: 

(1)額定輸出為:±2．5A,35V. 

(2)低輸出阻抗,源端0．45Ω,接收端0．36Ω. 

(3)自動電流衰減檢測并選擇混合、快和慢等電流衰減模式. 

(4)邏輯電平范圍為3．0~5．5V. 

(5)HOME輸出. 

(6)降低功耗的同步整流功能. 

(7)內部低壓關斷、熱停車電路及環流保護. 

 

 

A3977

帶轉換器的微步 DMOS 驅動器

 

特點 

±2.5 安培 35 伏特輸出率 

低 rDS(ON)輸出（一般為 0.45 歐源極，0.36 歐灌電流） 

自驅電流衰減模式檢測/選擇 

3.0 至 5.5 伏特邏輯電源電壓范圍 

混合、快與慢電流-衰減模式 

自動導向輸出 

對低功率耗散同步整流 

內部欠壓鎖定 (UVLO) 及過熱關機電路 

交叉電流保護 

 

描述 

A3977SED 與 A3977SLP 是兩個完整的微步電動機驅動器，帶有內置轉換器。 二者可在整體、1/2、1/4 及 1/8 步進模式時操作雙極步進電動機，輸出驅動器容量為 35 伏特及±2.5 安培。A3977 包括一個固定停機時間電流穩壓器，該穩壓器可在低、快或混合衰減模式下工作。 此電流衰減控制方案能減少可聽到的電動機噪音、增加步進精確度并減少功率耗散。 

 

轉換器是 A3977 易于實施的關鍵。 通過簡單的在“步進”輸入中輸入一個脈沖，電動機會產生步進（完整、1/2、1/4 或 1/8 步進，根據兩個邏輯輸入的情況而定）。 該程序中沒有相位順序表、高頻率控制行或復雜的界面。 A3977 界面非常適合復雜的 μP 不可用或過載的應用。 

 

內部同步整流控制電路用來改善脈寬調制 (PWM) 操作時的功率消耗。 

 

內部電路保護包括因滯后引起的過熱關機、欠壓鎖定 (UVLO) 及交叉電流保護。 不需要特別的加電排序。 

 

A3977 具有兩種功率封裝可供選擇，即帶銅質蝙蝠翼狀片的 44 引腳塑料 PLCC 以及帶外露隔熱盤的（后綴為 LP）的較薄（  <1.2 毫米）28 引腳 TSSOP。 該 SLP 封裝是無鉛產品，且引腳框采用********霧錫電鍍。

 

使用A3977生產的，市面上最小的步進電機驅動器：