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小型化趋势下,东芝单芯片方案实现高性价比电机驱动

发布时间:2022-06-22 来源:东芝 责任编辑:wenwei

【导读】随着人们生活、工作需求的转变,以及半导体技术的发展,电机的应用场景越来越多。比如,实现家庭自动化的空调、洗衣机、冰箱、清洁设备,实现办公自动化的IJP/LBP/MFP打印机、扫描仪,实现工业自动化的ATM机、自动售货机、游乐设备、监控摄像头、机器人,各类服务器风扇、鼓风机、通风风扇、吊扇,以及数码相机、玩具、电子门锁、5V USB或电池供电的手持设备等,在这些仪器或者设备中都少不了电机的身影。


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如果将这些电机按工作电源进行分类,可以分为交流电机和直流电机。在直流电机中,比较典型的有:有刷直流电机、无刷直流电机和步进电机。不同的电机特性对应不同的应用场景,比如针对小型打印机、微型扫描仪,以及一些小的智能化终端来说,操作简单、功率低的小型步进电机就能满足系统设计要求,其中40V/2A的步进电机驱动方案具有明显的成本优势。


在这样的背景下,东芝在40年的电机驱动开发经验和拥有超过190种电机驱动产品线的基础上,在2021年9月份推出了一款面向小型步进电机市场的高性价比的单芯片电机解决方案——TB67S539FTG。


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什么是单芯片电机解决方案?


众所周知,高集成度是东芝电机驱动产品线的重要特色之一。以步进电机驱动为例,东芝无一例外地将逻辑控制、栅极驱动和功率驱动部分集成到一颗芯片中,这就是单芯片电机解决方案。


为什么要推单芯片电机解决方案?


这是因为大多数现有的电机驱动器需要相当多的外部组件才能运行,但近年来,客户对较低“总BOM”成本的要求有所增加,所以东芝才应市场需求推出这种高集成度的解决方案。


如何兼顾小封装和高性价比?


以TB67S539FTG为例,它采用主流的BiCD-0.13μm工艺,QFN32的封装只有5mm×5mm,却能在驱动一个电机的同时最大化地减少外围器件的使用。这是如何实现的呢?


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首先,在TB67S539FTG方案中,东芝采用了原创的高级电流检测系统(ACDS)技术来实现高精度恒定电流的电机驱动,减少了电流检测电阻的使用,而在常规方案中,两颗电流采样电阻的面积几乎与TB67S539FTG一样大。


其次,TB67S539FTG集成了内部时钟,在系统设计时无需增加外部振荡器就能实现二次振荡,对比常规外挂式振荡器,还能额外省去用来匹配的1个电阻和1个电容。


再者,TB67S539FTG采用单电源供电,支持4.5V-34V的电源输入,适用于采用24V电压驱动的应用以及采用12V驱动的应用,内部集成三端稳压器,省掉了常规三端稳压器外置的滤波电容的使用。


最后,步进电机驱动电路通常由两个H桥组成,两个高边采用PMOS,两个低边采用NMOS,但这种方案的导通电阻往往比较大,以采用这种P+NMOS方案的东芝上一代电机驱动产品TB62262FTG为例,其导通电阻在1Ω左右。导通电阻大会带来一个问题,那就是电流越大,发热就越高。所以,为了降低导通电阻,TB67S539FTG采用了全部是NMOS的方案,将导通电阻降到0.8Ω,来满足小封装下的良好散热需求。但如果高边和低边全是NMOS,就需要增加电荷泵电路来做高边驱动,这又会增加系统设计的复杂性,因此东芝在TB67S539FTG中的高边内置了电荷泵。


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如此,TB67S539FTG仅需配置一个电容器的情况下(一个大电容、一个小电容组合成一个滤波电容),就能驱动一个尺寸为42mm×42mm的四二步进电机及以下的产品,而如电流检测电阻、外挂式振荡器和与之匹配的频率调制阻容元件、外置的三端稳压器和与之匹配的滤波电容等周边元器件基本上就已经没有了。这对于系统厂商而言,不仅可以节省BOM成本,还能节约PCB的布板空间。


此外,作为系统级芯片,TB67S539FTG还自带过流保护、过温保护、欠压保护等保护电路功能。驱动电流衰减模式方面,混合衰减、慢衰减、快衰减和自动的混合衰减模式可以自由选择。因此,如果您正在寻找一种简单、小巧、价格有竞争力的步进电机驱动方案,TB67S539FTG会是个不错的选择。


* 文章转自《电子工程专辑》2022年3月刊。



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