【導(dǎo)讀】隨著人們生活、工作需求的轉(zhuǎn)變，以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景越來越多。比如，實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化的空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱、清潔設(shè)備，實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化的IJP/LBP/MFP打印機(jī)、掃描儀，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的ATM機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、游樂設(shè)備、監(jiān)控?cái)z像頭、機(jī)器人，各類服務(wù)器風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)風(fēng)扇、吊扇，以及數(shù)碼相機(jī)、玩具、電子門鎖、5V USB或電池供電的手持設(shè)備等，在這些儀器或者設(shè)備中都少不了電機(jī)的身影。
如果將這些電機(jī)按工作電源進(jìn)行分類，可以分為交流電機(jī)和直流電機(jī)。在直流電機(jī)中，比較典型的有：有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。不同的電機(jī)特性對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，比如針對(duì)小型打印機(jī)、微型掃描儀，以及一些小的智能化終端來說，操作簡單、功率低的小型步進(jìn)電機(jī)就能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，其中40V/2A的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。
在這樣的背景下，東芝在40年的電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和擁有超過190種電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品線的基礎(chǔ)上，在2021年9月份推出了一款面向小型步進(jìn)電機(jī)市場(chǎng)的高性價(jià)比的單芯片電機(jī)解決方案——TB67S539FTG。
什么是單芯片電機(jī)解決方案？
眾所周知，高集成度是東芝電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品線的重要特色之一。以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，東芝無一例外地將邏輯控制、柵極驅(qū)動(dòng)和功率驅(qū)動(dòng)部分集成到一顆芯片中，這就是單芯片電機(jī)解決方案。
為什么要推單芯片電機(jī)解決方案？
這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要相當(dāng)多的外部組件才能運(yùn)行，但近年來，客戶對(duì)較低“總BOM”成本的要求有所增加，所以東芝才應(yīng)市場(chǎng)需求推出這種高集成度的解決方案。
如何兼顧小封裝和高性價(jià)比？
以TB67S539FTG為例，它采用主流的BiCD-0.13μm工藝，QFN32的封裝只有5mm×5mm，卻能在驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)的同時(shí)最大化地減少外圍器件的使用。這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
首先，在TB67S539FTG方案中，東芝采用了原創(chuàng)的高級(jí)電流檢測(cè)系統(tǒng)（ACDS）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高精度恒定電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減少了電流檢測(cè)電阻的使用，而在常規(guī)方案中，兩顆電流采樣電阻的面積幾乎與TB67S539FTG一樣大。
其次，TB67S539FTG集成了內(nèi)部時(shí)鐘，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)無需增加外部振蕩器就能實(shí)現(xiàn)二次振蕩，對(duì)比常規(guī)外掛式振蕩器，還能額外省去用來匹配的1個(gè)電阻和1個(gè)電容。
再者，TB67S539FTG采用單電源供電，支持4.5V-34V的電源輸入，適用于采用24V電壓驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用以及采用12V驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，內(nèi)部集成三端穩(wěn)壓器，省掉了常規(guī)三端穩(wěn)壓器外置的濾波電容的使用。
最后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通常由兩個(gè)H橋組成，兩個(gè)高邊采用PMOS，兩個(gè)低邊采用NMOS，但這種方案的導(dǎo)通電阻往往比較大，以采用這種P+NMOS方案的東芝上一代電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品TB62262FTG為例，其導(dǎo)通電阻在1Ω左右。導(dǎo)通電阻大會(huì)帶來一個(gè)問題，那就是電流越大，發(fā)熱就越高。所以，為了降低導(dǎo)通電阻，TB67S539FTG采用了全部是NMOS的方案，將導(dǎo)通電阻降到0.8Ω，來滿足小封裝下的良好散熱需求。但如果高邊和低邊全是NMOS，就需要增加電荷泵電路來做高邊驅(qū)動(dòng)，這又會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因此東芝在TB67S539FTG中的高邊內(nèi)置了電荷泵。
如此，TB67S539FTG僅需配置一個(gè)電容器的情況下（一個(gè)大電容、一個(gè)小電容組合成一個(gè)濾波電容），就能驅(qū)動(dòng)一個(gè)尺寸為42mm×42mm的四二步進(jìn)電機(jī)及以下的產(chǎn)品，而如電流檢測(cè)電阻、外掛式振蕩器和與之匹配的頻率調(diào)制阻容元件、外置的三端穩(wěn)壓器和與之匹配的濾波電容等周邊元器件基本上就已經(jīng)沒有了。這對(duì)于系統(tǒng)廠商而言，不僅可以節(jié)省BOM成本，還能節(jié)約PCB的布板空間。
此外，作為系統(tǒng)級(jí)芯片，TB67S539FTG還自帶過流保護(hù)、過溫保護(hù)、欠壓保護(hù)等保護(hù)電路功能。驅(qū)動(dòng)電流衰減模式方面，混合衰減、慢衰減、快衰減和自動(dòng)的混合衰減模式可以自由選擇。因此，如果您正在尋找一種簡單、小巧、價(jià)格有競(jìng)爭(zhēng)力的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，TB67S539FTG會(huì)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。
* 文章轉(zhuǎn)自《電子工程專輯》2022年3月刊。
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