SGM42622B低電壓雙H橋步進電機驅動器：設計與應用詳解

在電子工程師的日常工作中，步進電機驅動器是一個常見且關鍵的組件。今天，我們就來詳細探討一下SGMICRO推出的SGM42622B低電壓雙H橋步進電機驅動器，看看它有哪些特點、如何應用以及相關的技術細節。

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一、產品概述

SGM42622B是一款集成了控制邏輯和低 (R_{DSON}) MOSFET功率級的低電壓步進電機驅動器，采用小巧的TQFN封裝。它適用于電池供電的應用場景，能夠進入接近零功耗的待機模式，從而延長電池使用壽命。同時，該驅動器具備一套完整的保護功能，包括過流、短路和熱關斷保護。

二、產品特性

1. 電源與電流特性

• 寬電源電壓范圍：電機電源電壓范圍為1.8V至12V，能適應多種電源環境。
• 高輸出電流能力：最大RMS輸出電流可達1.3A，能滿足大多數步進電機的驅動需求。
• 低導通電阻：在+25℃時， (R_{DSON}) （HS + LS）僅為0.5Ω，可有效降低功率損耗。

2. 微步進能力

具備高達1/256的微步進分辨率，能夠實現精細的電機控制，使電機運行更加平滑，減少振動和噪音。

3. 電流控制與保護

• 自適應混合電流衰減模式：可根據電機的運行狀態自動調整電流衰減模式，提高控制效率。
• 可編程關斷時間：通過外部電阻可以靈活設置PWM的關斷時間，以滿足不同的應用需求。
• 全面保護功能：包括無損過流保護、短路保護和熱關斷保護，確保驅動器和電機的安全運行。

4. 低功耗與寬溫度范圍

• 超低待機電流：待機電流小于80nA，有助于延長電池壽命。
• 寬工作溫度范圍：可在-40℃至+85℃的環境溫度下正常工作，適應不同的應用場景。

5. 環保封裝

采用綠色TQFN - 3×3 - 16L封裝，符合RoHS和HSF標準，環保且易于焊接。

三、應用領域

SGM42622B的應用范圍廣泛，常見于以下領域：

• 玩具：為玩具提供精確的運動控制，使玩具的動作更加靈活和逼真。
• 游戲機：實現游戲機中電機的精確驅動，提升游戲體驗。
• 機器人：用于機器人的關節驅動，確保機器人的運動精度和穩定性。
• 銷售點設備：如自動售貨機、打印機等，可實現精確的紙張傳輸和物品分配。
• 打印機：控制打印機的步進電機，保證打印質量和速度。

四、典型應用電路

文檔中給出了SGM42622B的典型應用電路，包含了電源濾波電容、電流檢測電阻、邏輯輸入引腳等關鍵元件。在實際設計中，需要根據具體的應用需求合理選擇元件參數，確保電路的穩定性和可靠性。

五、引腳配置與功能

1. 引腳配置

SGM42622B采用TQFN - 3×3 - 16L封裝，各引腳具有不同的功能，包括方向輸入、步進時鐘輸入、輸出引腳、電源引腳、接地引腳等。

2. 引腳功能說明

• DIR/MODE4：方向輸入或步進模式選擇輸入4。
• STCK/MODE3：步進時鐘輸入或步進模式選擇輸入3。
• OUTA1、OUTA2、OUTB1、OUTB2：H橋輸出引腳，用于連接步進電機。
• SENSEA、SENSEB：電流檢測引腳，通過連接小阻值的檢測電阻到電源地，實現對電機電流的檢測。
• REF：電流設定參考電壓輸入，用于調整輸出電流的大小。
• TOFF：內部振蕩器頻率調整引腳，通過外部電阻設置PWM的關斷時間。
• EN/nFAULT：5V邏輯兼容的功率級使能輸入或告警輸出引腳，可用于控制功率級的開啟和關閉，并在出現故障時輸出告警信號。
• STBY/RESET：5V邏輯兼容的待機輸入引腳，拉低該引腳可使器件進入低功耗模式。
• MODE1、MODE2：步進模式選擇輸入1和2，與MODE3、MODE4配合使用，可選擇不同的步進模式。

六、電氣特性

1. 電源相關特性

• 電源電壓范圍：1.8V至12V，VCC開啟電壓為1.1V至1.8V，關閉電壓為1V至1.64V，具有180mV的滯回電壓。
• 電源電流：在不同工作狀態下，電源電流有所不同，待機電流小于80nA。

2. 功率級特性

• 導通電阻：在不同電源電壓和輸出電流條件下，導通電阻有所變化，典型值為0.43Ω至0.65Ω。
• 上升時間和下降時間：在VCC = 10V、空載輸出時，上升時間和下降時間均為40ns。
• 死區時間：為260ns，可避免H橋上下管同時導通，提高電路的安全性。

3. 電流控制特性

• 傳感偏移：在VREF = 0.5V、內部參考為20% VREF時，傳感偏移為-15mV至15mV。
• 關斷時間：可通過外部電阻ROFF進行編程，范圍為9μs至106μs。
• 慢衰減時間和快衰減時間：分別為5/8 × tOFF和3/8 × tOFF。

4. 邏輯IO特性

• 高邏輯電平輸入電壓：在-40℃至+85℃的溫度范圍內，為1.6V。
• 低邏輯電平輸入電壓：在-40℃至+85℃的溫度范圍內，為0.6V。
• EN低邏輯電平輸出電壓：在IEN = 4mA時，為0.8V。

5. 保護特性

• 熱關斷閾值：為170℃，熱關斷滯回為40℃。
• 過流保護閾值：為2A。

七、功能描述

1. 待機和上電

通過將STBY/RESET輸入引腳拉低至 (V_{STBYL}) 閾值以下，可使器件進入待機模式，此時控制器的電源電流顯著降低，功率級關閉，輸出處于高阻態。當器件退出待機模式時，控制器將像上電一樣重新啟動。

2. 微步進序列器

• 模式選擇：MODEx輸入的4位二進制值在器件上電或退出待機模式后被鎖存。在正常操作中，MODE3和MODE4輸入作為步進時鐘（STCK）和方向（DIR）輸入。當MODE1和MODE2都為低電平時，器件將進入全步模式，忽略鎖存值。當MODE1或MODE2輸入恢復為高電平時，將恢復之前的操作模式。
• 序列器工作原理：序列器是一個10位計數器，用于設置PWM電流控制器的參考和H橋電流方向。計數器在上電或待機后復位為零，并在STCK的每個上升沿進行計數。當DIR為高電平時，計數器遞增；當DIR為低電平時，計數器遞減。

3. PWM電流控制

每個橋都有獨立的PWM電流控制器。橋電流通過檢測引腳和檢測電阻從負極流向地，檢測引腳電壓與相電流成正比，并與基于序列器值和VREF設置的參考電壓進行比較。當檢測電壓超過參考電壓時，比較器觸發關斷時間和衰減序列。在關斷時間內，電流先以慢速衰減，然后以快速衰減。

4. 設置PWM關斷時間

PWM的總關斷時間（慢速衰減 + 快速衰減）通過TOFF引腳和地之間的外部電阻ROFF進行編程。為了實現穩定的調節，需要在ROFF上并聯一個小的串聯RC分支。

5. 過流保護（OCP）

當任何FET中的電流超過預設的過流閾值時，H橋中的所有FET將被禁用約16ms，EN/nFAULT引腳將被拉低。16ms后，芯片恢復運行，EN/nFAULT引腳釋放。過流保護獨立于PWM電流控制的電流檢測電路，與ISENSE電阻值或VREF電壓無關。

6. 熱關斷

當芯片溫度超過最大安全溫度閾值時，將發生熱關斷事件。此時，EN/nFAULT引腳被內部開漏MOSFET拉低，禁用功率級。當芯片溫度回到安全范圍（ (T{J}{TSD}-T_{HYS}) ）時，EN/nFAULT引腳釋放。