電機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，遍及人們工作及生活的各個(gè)領(lǐng)域，如打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、投影儀、電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、燃?xì)庠睢⒄障鄼C(jī)、ATM機(jī)、電動(dòng)縫紉機(jī)、保安攝像機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)、園林灌溉系統(tǒng)及工業(yè)自動(dòng)化等。

　　在節(jié)能越來(lái)越受重視的當(dāng)今，高能效的驅(qū)動(dòng)電機(jī)顯得尤為重要。從類型上看，電機(jī)包括交流電機(jī)、直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、永磁同步電機(jī)、伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。其中，步進(jìn)電機(jī)采用脈沖工作，也稱作數(shù)字電機(jī)或脈沖電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)量成正比，速度則與脈沖頻率成正比，可通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)精確控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使其非常適合于定位應(yīng)用。本文將探討步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的常見(jiàn)挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)介紹安森美半導(dǎo)體針對(duì)辦公自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用的高能效步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案。

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的常見(jiàn)挑戰(zhàn)

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能用于多種不同的應(yīng)用。設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)中使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)面對(duì)一些共通的挑戰(zhàn)。首先，當(dāng)今的大多數(shù)設(shè)計(jì)都要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用及相關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC 和元件提供低能耗和高能效。例如，在如果風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器電路板位于密封殼體內(nèi)部，就會(huì)產(chǎn)生熱量，要求額外的能耗來(lái)將它冷卻。因此，就需要使用內(nèi)置風(fēng)扇在內(nèi)部環(huán)流冷風(fēng)，以減少熱量并管理散熱。故工程師可能會(huì)要求低功率損耗，同時(shí)還要求強(qiáng)大、具備高能效冷卻功能的電機(jī)。

　　圖1. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用示例及其常見(jiàn)挑戰(zhàn)。

　　其次，從終端用戶角度來(lái)講，極需要降低電機(jī)產(chǎn)生的噪聲，以避免造成不適的感覺(jué)。設(shè)計(jì)人員還必須能夠補(bǔ)償系統(tǒng)中的任何外部噪聲或振動(dòng)。再次，無(wú)論是因?yàn)榫幼】臻g有限或是用戶偏好，消費(fèi)者對(duì)緊湊型方案的需求高是一項(xiàng)普通的消費(fèi)趨勢(shì)。這趨勢(shì)導(dǎo)致更小尺寸及低噪聲的電機(jī)更受偏好，但這在嘗試補(bǔ)償其它設(shè)計(jì)要求時(shí)并不總是具有可能性。

　　值得注意的是，由于要求高壓電源來(lái)驅(qū)動(dòng)白家電及工業(yè)等應(yīng)用，電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的耐用性及安全性至關(guān)重要。更不用說(shuō)工程師需要選擇能夠精確控制速度的可靠電機(jī)。

　　永磁型和混合型步進(jìn)電機(jī)的工作原理

　　步進(jìn)電機(jī)常用于精密控制應(yīng)用，并采用像微步進(jìn)的技術(shù)來(lái)減輕電機(jī)振動(dòng)。圖2顯示了永磁型步進(jìn)電機(jī)及混合型步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖解。步進(jìn)電機(jī)以數(shù)字脈沖形式工作，通常稱作同步電機(jī)或脈沖電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)導(dǎo)通及關(guān)閉MOSFET來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　圖2. 永磁型及混合型步進(jìn)電機(jī)的工作原理。

　　以圖2左側(cè)為例，當(dāng)電流流過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)OUT1和OUT2時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的位置如左圖所示。控制OUT1、2、3及4的電流，就可以控制轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)量成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比。您可以藉控制脈沖數(shù)量來(lái)精密地控制轉(zhuǎn)子位置，使其適合于定位。

　　用于辦公自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品

　　如前所述，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，如在ATM自動(dòng)柜員機(jī)中用于進(jìn)鈔控制及存折卷入等功能，又如在自動(dòng)售賣機(jī)中用于貨品移動(dòng)，以及在老虎機(jī)中用于輪盤旋轉(zhuǎn)等。本文討論的重點(diǎn)是針對(duì)辦公自動(dòng)化應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，典型產(chǎn)品有如打印機(jī)及掃描儀。通常情況下，進(jìn)紙、紙托盤及掃描等功能可能使用到步進(jìn)電機(jī)，用于位置控制。

　　圖3：步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器在常見(jiàn)辦公自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用示例。

　　如圖3所示，步進(jìn)電機(jī)精確地將紙從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。如果終端用戶的首要要求是靜音驅(qū)動(dòng)，那么就適宜采用低振動(dòng)的微步步進(jìn)電機(jī)。在這類應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)及直流無(wú)刷電機(jī)用于將墨帶壓到紙上。要求采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)在需要定位的地方調(diào)節(jié)墨帶對(duì)紙的壓力。而在臺(tái)式掃描儀等設(shè)備中，設(shè)計(jì)人員選擇具備定位功能、低振動(dòng)及電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制范圍的電機(jī)

　　推動(dòng)高能效創(chuàng)新的安森美半導(dǎo)體提供寬廣陣容的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，用于各種典型電機(jī)應(yīng)用。表1列出的僅是安森美半導(dǎo)體用于打印機(jī)等應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品（除了步進(jìn)電機(jī)，也包含無(wú)刷直流電機(jī)及直流有刷電機(jī)），供設(shè)計(jì)人員造型參考。

　　表1：安森美半導(dǎo)體用于打印機(jī)等常見(jiàn)辦公自動(dòng)化設(shè)備的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品概覽。

　　LV8702高能效步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特性、優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用示例

　　目前，多種電子產(chǎn)品中使用的步進(jìn)電機(jī)能效較低，成為業(yè)界關(guān)注的一項(xiàng)焦點(diǎn)，也為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體推出的LV8702高能效步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC克服這些挑戰(zhàn)，提供獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，幫助節(jié)省電機(jī)的空載能耗，且提供多重應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

　　LV8702的供電電壓VM范圍為9至32 V，最大支持36 V；輸出電流為2.5 A，并支持3 A的峰值電流。這器件的輸出導(dǎo)通阻抗僅為0.55 Ω，幫助高能效驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。LV8702內(nèi)置高能效模式、失步檢測(cè)功能及輸出短路保護(hù)功能，幫助降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)能耗，減少發(fā)熱量，減輕振動(dòng)及噪聲，并提供高可靠性。LV8702的典型應(yīng)用包括復(fù)印機(jī)、文檔掃描儀、多功能打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備，以及縫紉機(jī)等工為設(shè)備和老虎機(jī)等娛樂(lè)設(shè)備。

　　圖4. 安森美半導(dǎo)體LV8702高能效步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC應(yīng)用演示裝置。

　　為了彰顯LV8702步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，安森美半導(dǎo)體構(gòu)建了如圖4所示的演示裝置。我們首先導(dǎo)通電機(jī)開(kāi)關(guān)。此開(kāi)關(guān)啟用LV8702電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC 以顯示其效用。隨著電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，我們來(lái)測(cè)量電機(jī)電流波形。然后，在保持電機(jī)驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，我們導(dǎo)通高能效開(kāi)關(guān)。電流波形測(cè)試結(jié)果如圖5所示。左側(cè)顯示了高能效開(kāi)關(guān)未啟用時(shí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電流，右側(cè)顯示的則是導(dǎo)通高能效開(kāi)關(guān)后的情況，可見(jiàn)驅(qū)動(dòng)電流明顯降低，表示能耗更低。

　　圖5. LV8702可通過(guò)GAD引腳設(shè)計(jì)提供高能效驅(qū)動(dòng)模式，幫助減小平均電流并降低能耗。

　　LV8702高能效模式減小了平均電流，進(jìn)而也減少產(chǎn)生的熱量。IC表面溫度測(cè)試顯示，高能效開(kāi)關(guān)啟用的情況下，驅(qū)動(dòng)器IC及電機(jī)表面溫度分別下降了 46℃和28℃。這功能有潛力在某些應(yīng)用中省去冷卻風(fēng)扇，節(jié)省空間及成本，還增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。此外，通過(guò)比較電機(jī)VM電流，還以發(fā)現(xiàn)LV8702能夠節(jié)省能耗高達(dá)80%（見(jiàn)圖6）。設(shè)計(jì)人員能夠利用LV8702開(kāi)發(fā)高能效的辦公自動(dòng)化設(shè)備，并符合世界各地對(duì)提升能效的需求。

　　圖6. 通過(guò)比較電機(jī)VM電流可以發(fā)現(xiàn)LV8702能夠大幅節(jié)省電機(jī)的能耗。

　　LV8702內(nèi)置電荷泵電路，用于驅(qū)動(dòng)高邊N溝道MOSFET。LV8702支持4種微步模式，包括滿步、半步（滿轉(zhuǎn)矩）、半步及1/4步等，能夠幫助減輕電機(jī)振動(dòng)進(jìn)而降低噪聲。這器件內(nèi)置輸出短路保護(hù)功能，針對(duì)輸出對(duì)電源短路、輸出對(duì)地短路及負(fù)載短路等狀況提供保護(hù)。

　　總結(jié)：

　　對(duì)于當(dāng)今的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，要符合世界各地的能效法規(guī)及終端用戶對(duì)節(jié)能的更高需求，不僅要提升電源的能效、改善功率因數(shù)及降低輕載和待機(jī)能耗，還要提升當(dāng)今電子產(chǎn)品中廣泛使用的電機(jī)的能效，降低其能耗，并提供可靠性。安森美半導(dǎo)體因應(yīng)這些需求，提供寬廣陣容的高能效電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。本文重點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的常見(jiàn)挑戰(zhàn)及其工作原理，概覽了安森美半導(dǎo)體用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品系列，重點(diǎn)介紹了安森美半導(dǎo)體LV8702高能效步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特性，并結(jié)合演示裝置的測(cè)試結(jié)果，介紹了其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，旨在幫助設(shè)計(jì)人員利用這系列IC開(kāi)發(fā)高能效的辦公自動(dòng)化設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利位置。