Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №6

Параметры и особенности применения современных микросхем управления двигателями постоянного тока фирмы SANYO Semiconductor

Петропавловский Юрий


Разработчики радиоэлектронной аппаратуры нередко сталкиваются с проблемой выбора конкретных типов микросхем для электропривода двигателей постоянного и переменного тока, шаговых электродвигателей. Такие микросхемы выпускают многие известные производители полупроводниковых приборов, например Fairchild, Freescale, Infineon, IR, JRC, LTC Maxim, Mitsubishi, NEC, NSC, NXP, ONS, SANYO, STM, Sanken, TI, Toshiba, UTC и другие. Общее число наименований выпускаемых этими фирмами микросхем электропривода двигателей исчисляется сотнями. Кроме того, определенные затруднения при выборе конкретных микросхем управления двигателями (драйверами двигателей — ДД) могут вызвать особенности терминологии, используемой различными производителями в своих каталогах и технической документации. Приведем данные по номенклатуре, разделам каталогов 2009 года и терминологии, используемой некоторыми из перечисленных фирм.

Linear Technology (Милпитас/Milpitas, Калифорния, США). Российские офисы продаж (LTC Distributor) находятся в Выборге (JSC Gamma), Москве (Arrow Electronics) и Екатеринбурге (JSC Promelectronics). Фирма не выделяет ДД как отдельную категорию микросхем, для применения в схемах электропривода могут быть использованы микросхемы из каталога Power Management/Power Control. Категории (классы) микросхем: High Side Switches and MOSFET Drivers — «верхние» коммутаторы и драйверы затворов МДП транзисторов (23 наименования микросхем); Bridge Drivers— мостовые драйверы (4 наименования); PWM Controllers — ШИМ контроллеры (7 наименований) [1].

Maxim (Саннивейл/Sunnyvale, Калифорния, США). Эта фирма основана в 1983 г., в 2001 г. она приобрела компанию Dallas Semiconductor. Maxim является одним из круп- нейших производителей электронных компонентов и полупроводниковых приборов, годовой доход— $2,051 млрд (на 28.06.2008). Компания располагает обширной сетью дистрибьюторов по всему миру. Российские представительства находятся в Москве (Avnet Memec, Avnet Silica, COMPEL, Rainbow Technologies C & S), Санкт-Петербурге (Avnet Silica, COMPEL, Rainbow Technologies), Екатеринбурге (Rainbow Technologies C & S), Новосибирске (Rainbow Technologies). В каталоге фирмы драйверы двигателей также не представлены как отдельная категория приборов, они могут находиться в разделе каталога Hot-Swap and Power Switching [2], категории микросхем: Low-Side MOSFET Drivers — драйверы затворов нижних полевых транзисторов (28 наименований), High-Side MOSFET drivers — драйверы затворов верхних полевых транзисторов (5 наименований), Half-Bridge MOSFET Drivers (18 наименований) — полумостовые драйверы затворов полевых транзисторов.

Mitsubishi Electric Semiconductors. Европейский головной офис Mitsubishi Electric Europe B.V. находится в г. Ратинген (Ratingen), Германия, имеется представительство фирмы в Москве (Mitsubishi Electric Europe/Moscow Representative Office). Драйверы двигателей не позиционируются как отдельная категория приборов, их можно найти в разделе каталога IC, Semiconductor Sensor [3], категория HVIC (22 наименования микросхем). В разделе Power Modules помещены силовые модули для привода двигателей переменного тока большой мощности в категориях IGBT Modules — БТИЗ-модули, модули с общим названием Intelligent Power Modules (IPM) серий L1/S1/V и ряд приборов других классов.

В ноябре 2002 г. из материнской корпорации Nippon Electric Company в отдельную полупроводниковую компанию была выделена NEC Electronics. Предприятия новой компании находятся в префектурах Ямагата (Yamagata), Сига (Shiga), Кумамото (Kumamoto), Япония, а также в США, Малайзии, Сингапуре и Китае. Европейское отделение фирмы NEC Electronics (Europe) GmbH базируется в Дюссель- дорфе, Германия, президент фирмы — Тосио Накаяма (Toshio Nakajima). Драйверы двигателей в каталоге фирмы [4] сгруппированы в разделе Motor Driver, категория Stepping Motor Driver — драйверы шаговых двигателей — 2-, 4-, 5-, 6-, 7-канальные мостовые драйверы (16 наименований микросхем). В разделе каталога Motor Control [5] европейского подразделения фирмы предлагаются решения на базе встроенных в микропроцессоры NEC Electronics драйверов двигателей. Такие решения позволяют управлять трехфазными асинхронными и синхронными двигателями переменного тока, коллекторными и бесконтактными двигателями постоянного тока.

Sanken Electric Co., Ltd (Нииза/Niiza, префектура Сайтама/Saitama, Япония). Эта фирма основана в 1946 г. как Toho Sanken Electric Co., Ltd, переименована в 1962 г. В настоящее время корпорация объединяет 9 отделений в Японии и более 10 — за рубежом (Group Company), в том числе компании Allegro MicroSystems, Inc. (Вустер/Worchester, Массачусетс, США), Polar Semiconductor, Inc. (Миннесота, США), Sanken L.D. Electric (Jiang Yin) Co., Ltd (Jiangyin, Китай), европейское отделение Sanken Power Systems (UK) Limited базируется в г. Бридженд (Bridgend), Великобритания. Президент фирмы — Садатоси Иджима (Sadatoshi Iijima). Мощные полупроводниковые приборы и микросхемы Sanken отличаются высокой надежностью и широко применяются в промышленной, офисной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре. В разделе каталога IC/Motor Driver IC [6] ДД сгруппированы в категории: 2-Phase Stepper Motor Unipolar Driver IC — драйверы униполярных двухфазных шаговых двигателей (37 наименований микросхем); High Voltage Driver IC — высоковольтные драйверы (30 наименований). Большую номенклатуру ДД выпускает и компания Allegro MicroSystems.

Драйверы двигателей некоторых фирм особенно широко применяются в серийной аудио-, видеоаппаратуре, бытовой и офисной технике. К таким фирмам, в частности, относятся: Hitachi, RHOM, SANYO, Toshiba и некоторые другие. Широкая номенклатура, крупносерийное производство и доступность технической документации выпускаемых ДД этих фирм позволяет использовать их для разработки радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. Все перечисленные компании работают в полупроводниковой отрасли длительное время, что дает уверенность в стабильности производства их продукции и в дальнейшем.

Компания SANYO Semiconductor Co., Ltd (префектура Гунма/Gunma, Япония) выделена в отдельную структуру в июле 2006 г. из материнской компании SANYO Electric Co., Ltd, ведущей свою деятельность с 1947 г. В состав новой компании входят 8 аффилированных производственных и 8 дистрибьюторских подразделений, 3 дизайн-центра. Объем продаж — 1591 млрд йен (2007 г.). Президент — Теруо Табата (Teruo Tabata) [7]. Предприятия компании за пределами Японии расположены в Китае, Таиланде, Вьетнаме, на Тайване и Филиппинах. Европейское дистрибьюторское подразделение SANYO Com-ponent Europe GmbH Semiconductor Div базируется в Мюнхене, сфера деятельности подразделения охватывает и Россию [8].

В раздел каталога Motor Driver ICs [9] фирмы включены драйверы шаговых двигателей (Stepping Motor Drivers, 78 наименований микросхем); драйверы коллекторных двигателей (Brush Motor Drivers, 45 наименований); драйверы бесконтактных двигателей постоянного тока БДПТ (Brushless Motor Drivers, 113 наименований); драйверы электромагнитных актуаторов (Voice Coil Motor, 8 наименований), драйверы пьезоактуаторов (Piezoactuator Drivers, 3 наименования); мощные ОУ (Power Operational Amplifiers, 33 наименования). В предлагаемой статье рассмотрены особенности микросхем драйверов двигателей постоянного тока из подраздела каталога Brush Motor Drivers, многие из них могут быть использованы и в качестве драйверов шаговых двигателей.

Классификационные технические параметры микросхем драйверов коллекторных двигателей из подраздела Brush Motor Drivers каталога фирмы [10] приведены в таблице 1. Буквами в таблице обозначены: Р— серийные, N— новинка, D— перспективные (Under Development). Рассмотрим параметры и особенности применения ряда микросхем ДД более подробно.

Таблица 1. Классификационные данные микросхем электропривода двигателей постоянного тока SANYO Semiconductor

Тип
микросхемы
Статус Корпус Uпит (VM), B Iмакс
(Io), A
Число каналов Особенности
LA5587 P SIP5 3,8–16 1,4 1 Контроллер скорости двигателей постоянного тока
LB11650 P SIP14HZ 8–28 1,5 1 Реверсивный ДД с ШИМ/входом
LB11651 P SIP14HZ 8–28 3 1 То же
LB11651H P HSOP36J (375mil) 8–28 3 1 То же
LB1638 P DIP10S (300mil) 2,2–7 1 1 Низковольтный реверсивный ДД с малым Uнасыщ
LB1638M P MFP10S (225mil) 2,2–7 1 1 То же
LB1641 P SIP10 5–18 1,6 1 Реверсивный драйвер
LB1830M P MFP10S (225mil) 3,0–9 0,2 1 Драйвер с постоянным выходным напряжением
LB1836M P MFP14S (225mil) 1,8–9 1 2 Возможно использование в качестве драйвера шаговых двигателей
LB1837M P MFP14S (225mil) 3–9 0,2 1 То же
LB1843V P SSOP20 (225mil) 3–9 0,8 1 Драйвер с токовым управлением
LB1930M P MFP10S (225mil) 2,2–10,8 1 1 Низковольтный реверсивный ДД с малым Uнасыщ
LB1838T P MSOP8 2,2–10 0,8 1 То же
LB1947 P SIP13H 10–45 2 1 Реверсивный ДД с токовым ШИМ/управлением
LB1948M P MFP10S (225mil) 2,5–16 0,8 2 Возможно использование в качестве драйвера шаговых двигателей
LV8011V P SSOP20 (225mil) 2–6,5 1 1 Полномостовой ДД
LV8012T P TSSOP24 (225mil) 2–7 1,4 2 Возможно использование в качестве драйвера шаговых двигателей
LV8014T P TSSOP24 (225mil) 2–7 1,4 2 То же
LV8013T P MSOP8 2–15 1,2 1 Полномостовой ДД
LV8018W P SQFP48 (7X7) 2–3,6 0,5 4 То же
LV8019LP N VQLP24 (3,5X3,5) 3–7,4 1,2 1 То же
LV8019V N SSOP16 (225mil) 3–7,4 1,2 1 То же
LV8075LP N VCT16 (2,6X2,6) 2,5–5,5 0,5 1 Полномостовой ДД с постоянным Uвых
LV8080LP P VCT16 (2,6X2,6) 2,5–6 0,4 2 Возможно использование в качестве драйвера шаговых двигателей
LV8082LP P VCT16 (2,6X2,6) 2,5–6 0,4 2 Драйвер с управлением по току или напряжению
LV8085CL P ECSP2823/10 2,5–6 0,4 2 То же
LV8086T N TSSOP24 (225mil) 2–7 1,4 2 То же
LV8400V N SSOP16 (225mil) 4–15 1,2 1 Полномостовой ДД
LV8401V N SSOP16 (225mil) 4–15 1,2 1 То же
LV8405V N SSOP16 (225mil) 1,5–15 1,4 2 Возможно использование в качестве драйвера шаговых двигателей
LV8406T N TSSOP20J (225mil) 1,5–15 1,4 2 То же
LV8411GR N VCT24 (3,0X3,0) 2,5–5,5 0,4 4 То же
LV8413GP N VCT16 (2,6X2,6) 2,5–5,5 0,4 2 То же
LV8731V D SSOP44K (275mil) 9–32 2 2 То же
LV8740V D SSOP44J (275mil) 9–32 2,5 2 То же
LV8741V N SSOP44K (275mil) 9,5–35 1,5 2 То же
LV8741VB N SSOP36J (275mil) 9,5–35 1,5 2 То же
LV8760T P TSSOP20J (225mil) 9–35 3 1 Реверсивный ДД с токовым ШИМ/управлением
LV8761V P SSOP36J (275mil) 9–35 3 1 То же
STK681-200-E P SIP12 (thin type) 10–42 4,2 1 Встроенная защита по току, напряжению, температуре
STK681-210-E P SIP12 (thin type) 10–42 5,2 1 То же
STK681-300 P ZIP19 10–42 2 1 То же
STK681-310 P ZIP19 10–42 4,2 1 То же
STK681-320 P ZIP19 10–42 5,2 1 То же
STK681-332-E D ZIP19 (small type) 10–42 10,8 1 То же

Микросхемы LB11651, LB11651H (данные на сентябрь 2003 г.) представляют собой реверсивный полномостовой ДД постоянного тока. Структура микросхем приведена на рис. 1, в ее состав входят: схема управления (Control Logic Circuit); формирователь образцового напряжения (VREF Circuit); схема фиксации состояния (Latch Circuit); узел фильтров (Filter Circuit); схемы защиты (UVLO, Thermal Shutdown Circuit); полный мост на биполярных транзисторах В1, В2, Н1, Н2.



Рис. 1. Структура микросхем LB11651, LB116H

Назначения выводов микросхемы LB11651 (LB11651H):

  • 1, 14 (1, 36, ОА, ОВ)— выходы моста.
  • 2 (8, VLS — Voltage Low Side) — вывод для подключения резистора обратной связи, при увеличении падения напряжения на резисторе Roс более 0,5 В транзисторы моста закрываются.
  • 3 (9, VM) — напряжение питания двигателя.
  • 4 (10, VHS — Voltage High Side) — вывод для подключения ограничивающего резистора Rогр.
  • 5 (11, Vсс) — напряжение питания логических схем.
  • 6 (12, ST) — вход включения дежурного режима Standby, режим реализуется при низком логическом уровне (L) или отключенном выводе.
  • 7 (13, С) — вывод для подключения конденсатора фильтра Сф схем защиты.
  • 8 (23, PWM) — вход для подачи ШИМ-сигналов.
  • 9 (24, PHASE) — вход выбора режима вперед/назад.
  • 10 (25, BRAKE) — вход включения режима торможения (Brake), режим включается при высоком логическом уровне (Н).
  • 11 (26, GND) — общий корпус.
  • 12 (27, R) — вход управления транзисторами Н1, Н2.
  • 13 (28, DiGND) — корпусной вывод защитных диодов моста.

Основные параметры микросхемы LB11651 (в скобках даны отличающиеся значения для LB11651H) при температуре окружающей среды 25 °C:

  • Vcc — 3,0–5,25 B; ток потребления по цепи VM без нагрузки — 1,2 мА, в дежурном режиме — не более 50 мкА.
  • Падение напряжения на открытых транзисторах В1, В2 при выходном токе 2 А— 0, 6 В (0,5 В при токе 1 А), на открытых транзисторах Н1, Н2 — 1,8 В (1,7 В при токе 1 А).
  • Ток Icc (по цепи Vcc) — 110–125 мА (68–75 мА), в режиме торможения — 4,7 мА, в дежурном режиме — не более 50 мкА.
  • Напряжения логических сигналов на входах, лог «1» (Н) — не менее 2 В, лог «0» (L) — не более 0,8 В.

Режимы работы микросхемы определяются логическими состояниями входов управления, приведенными в таблице 2, Н— лог «1», L — лог «0», Х — лог «0» или лог «1», ХХ — транзисторы моста закрыты. В режиме «вперед» напряжение на выводе ОА микросхемы на холостом ходу равно VM, на выводе ОВ — 0, в режиме «назад» обратная картина. В режиме «стоп» все транзисторы моста закрыты, при остановке двигатель некоторое время вращается по инерции. В режиме торможения открыты верхние транзисторы моста В1, В2, при этом двигатель после отключения питания шунтирован низким сопротивлением открытых транзисторов, что приводит к возрастанию момента силы торможения, и время полной остановки двигателя резко уменьшается. В режиме ожидания обеспечивается низкое токопотребление энергии источников питания и, в то же время, высокая готовность схемы к запуску.

Таблица 2. Логические состояния микросхем LB11651, LB11651H

PHASE BRAKE ST PWM OA OB Режимы
H L H H H L вперед
L L H H L H назад
X L H L XX XX стоп
X H H X H H торможение
X X L/отключено X XX XX ожидание

Схема защиты от коротких замыканий отслеживает ток, протекающий через мост, путем контроля падения напряжения на резисторе Roc, при этом регистрируются аварийные ситуации, возникающие при замыкании вывода ОА и ОВ между собой и пробое транзисторов моста. Величина тока короткого замыкания определяется по формуле Iкз = 0,5 В/Roc. Например, при Roc = 0,125 Ом детектируемый ток короткого замыкания равен 4 А, что является предельно допустимым значением тока по цепи VM в импульсе (tимп — не более 10 мкс). Поскольку в схеме защиты имеется схема фиксации состояния, при срабатывании защиты транзисторы моста закрываются и остаются в этом состоянии после устранения КЗ. Для продолжения работы следует сначала перевести микросхему в режим «стоп» или временно отключить напряжение Vcc. Для обеспечения корректной работы схем защиты при протекании через резистор тока с помехами и шумами к выводу С необходимо подключать конденсатор Сф, величина емкости которого определяется формулой:

Tmask (мкс) = 2,6×Сф (пФ)/100,

где Tmask — время маскировки, в течение которого схема защиты не реагирует на всплески тока через резистор Rос. При использовании различных величин напряжения питания Vcc вывод R микросхемы подключают к выводу Vcc (при Vcc = 3,3 В) или оставляют неподключенным (при Vcc = 5 В).



Рис. 2. Структура микросхем LB1638, LB1638M

LB1638, LB1638M (по данным на декабрь 2008 г.) — экономичные низковольтные ДД с малым напряжением насыщения ключевых транзисторов, они хорошо подходят для приложений с автономным питанием. Структура микросхем приведена на рис. 2. Режимы работы микросхем определяются логическими состояниями входов управления, приведенными в таблице 3.

Таблица 3. Логические состояния микросхем LB1638, LB1638M

Входы Выходы Режим
IN1 IN2 OUT1 OUT2
H L H H вперед
L H L H назад
H H L L торможение
L L XX XX дежурный

Основные параметры микросхем при Т = 25 °С:

  • Напряжение питания Vcc — 2,5–9 В.
  • Напряжение питания Vs — 2,5–9 В; Icc — не более 40 мА.
  • Суммарное падение напряжения на откры- тых транзисторах моста Uнас — 0,25 В (при Iвых = 0,2 А), 0,7 В (при Iвых = 0,5 А).

При использовании одного источника питания для цепей Vcc и Vs конденсаторы фильтра следует подключать вблизи выводов 3, 1 микросхем.

LB1830M (по данным на февраль 2009 г.) имеет следующие характеристики: Vcc— 3–9 B, Icc — 2–5 мА, Uнас — 0,4 В при выходном токе 80 мА, кроме стандартных рабочих режимов (с полностью открытыми выходными транзисторами) микросхема может быть использована в режимах с регулируемым выходным напряжением.

LB1930М (по данным на февраль 2009 г.)— это экономичный низковольтный ДД с малым напряжением насыщения. Схема включения и структура микросхемы приведены на рис. 3. Таблица состояний такая же, как у LB1638 (табл. 3).



Рис. 3. Структура и схема включения микросхемы LB1930M

Основные параметры микросхемы при Т = 25 °С:

  • Vcc— 2,0–10,8 В;
  • Icc — 15–20 мА;
  • Uнас — 0,55 В при токе 0,5 А.

На рис. 4 приведены графики зависимости напряжения насыщения от выходного тока и температуры при различные выходных токах.



Рис. 4. Зависимость напряжения насыщения от выходного тока и температуры микросхемы LB1930M

Практически все 2-канальные ДД фирмы из рассматриваемого подраздела каталога могут быть использованы как для привода двух коллекторных, так и одного биполярного шагового двигателя. К таким микросхемам с мостами на биполярных транзисторах относятся LB1836M, LB1837M, LB1948M, Н-мосты с полевыми транзисторами реализованы в ряде микросхем серии LV.

LB1948M (по данным на декабрь 2008 г.) имеет следующие характеристики: Vcc — 2,5–16 B, Icc — 15–30 мА, Uнас — 0,5 В при токе 0,4 А. Микросхема может быть использована для привода одного двигателя при параллельном включении каналов, при этом максимальный выходной ток равен 1,6 А. Структура микросхемы приведена на рис. 5. При параллельном включении каналов соединены выводы 2 и 4, 3 и 5, 7 и 9, 8 и 10. Таблица состояний микросхемы идентична таблице 3 (выходам OUT3, OUT4 соответствуют входы IN3, IN4). Схема температурной защиты (Thermal Shutdown Circuit) срабатывает при повышении температуры кристалла микросхемы до 200 °С, при снижении температуры до 125 °С работоспособность микросхемы восстанавливается.



Рис. 5. Структура микросхемы LB1948M

Микросхема LV8012T (по данным на август 2007 г.) выполнена по гибридной технологии БП-КМОП (Bi-CMOS LSI).

Особенности:

  • диффузионные МОП-транзисторы Н-мостов (D-MOS FET);
  • поддержка входных ШИМ сигналов управления;
  • низкое напряжение насыщения и малая потребляемая мощность;
  • встроенный генератор подкачки заряда (ГПЗ).



Рис. 6. Структура микросхемы LV8012T

Структура микросхемы приведена на рис. 6, данные по состояниям сведены в таблицу 4.

Таблица 4. Логические состояния микросхемы LV8012T

EXTRA EN1 (EN2) IN1 (IN3) IN2 (IN4) OU1 (OUT3) OUT2 (OUT4) ГПЗ Режим
L H H H XX XX вкл. дежурный
L H H L L H вкл. назад
L H L H H L вкл. вперед
L H L L L L вкл. торможение
L L X X L L выкл. дежурный
H H H X L H вкл. назад
H H L X H L вкл. вперед
H L X X L L вкл. торможение

В состав микросхемы входят:

  • схема управления (CMOS Logic);
  • схема сдвига напряжения (Level Shift);
  • генератор подкачки заряда (OSC, CHARGE_PUMP);
  • схема температурной защиты и защиты от пониженного напряжения питания (Lowvoltage, Thermal Protection);
  • Н-мосты на полевых D-MOS FET транзисторах (H-bridge 1/2). Назначения выводов микросхемы:
  • 1, 24, 23, 22, 21, 20, 19 (EN1, EN2, IN1, IN2, IN3, IN4, EXTRA) — входы управления.
  • 2, 11 (VM) — напряжение питания двигателей.
  • 4, 9 (PGND) — корпус Н-мостов.
  • 5, 6, 7, 8 (OUT4, 3, 2, 1) — выходы Н-мостов.
  • 12 (VG) — выход генератора подкачки заряда.
  • 13 (VCC) — напряжение питания логических схем.
  • 14, 15, 16, 17 (CH1, CL1, CH2, CL2) — выводы для подключения конденсаторов вольтодобавки ГПЗ (Voltage raising capacitor).

Основные параметры микросхемы при Т = 25 °С:

  • Максимальный импульсный выходной ток — 1,4 А (при tи менее 0,1 с).
  • Vсс— 2,7–5,5 В, Icc не более 1,2 мА (на холостом ходу генератора подкачки заряда).
  • Напряжения сигналов управления Vin — 0— Vсс.
  • Максимальная частота следования ШИМ-импульсов — 100 кГц.
  • Емкости конденсаторов генераторов подкачки заряда — 0,001–0,1 мкФ; Ron—0,75 Ом.
  • Выходное напряжение генератора подкачки заряда (VG) — 8,5–10,5 В, при подключении к выводу VG нагрузки напряжение уменьшается (типовое значение 9 В при токе Ivg = 0,5 мА).

Схема типового включения микросхемы для привода биполярных шаговых двигателей приведена на рис. 7. При напряжении питания Vcc = 3,3 В напряжение VM должно находиться в пределах 1–4 В, конденсатор фильтра Сф должен подключаться вблизи выводов VM, PGND микросхемы. Практически полным аналогом является микросхема LV8014Т (данные на март 2008 г.), а микросхема LV8086T (март 2008 г.) отличается алгоритмом управления (таблица состояний не соответствует таблице 4), отличия параметров незначительны.



Рис. 7. Типовое включение микросхемы LV8012T

LV8080LP (корпус VCT16) (по данным на октябрь 2007 г.) — двухканальный ДД с постоянным выходным током (Two channels Constant-current H-bridge Driver). Микросхема выполнена по гибридной технологии Bi-CMOS LSI.

Особенности:

  • встроенный стабилизатор напряжения;
  • компаратор для подключения внешних датчиков положения роторов двигателей;
  • поддержка 2-фазного и 1–2-фазного режимов шаговых двигателей (2-phase/1–2 phase drive);
  • миниатюрный корпус (размеры 2,6×2,6 мм);
  • системы температурной защиты и защиты от пониженного напряжения питания;
  • Ron — 1,5 Ом при выходном токе 0,1 А и напряжении питания 5 В.

Величина устанавливаемых выходных токов— 0,1, 0,2 А и т. д. (величина тока задается внешним резистором). Аналогичными возможностями обладают микросхемы LV8085CL (по данным на июнь 2007 г.), но в них отсутствует встроенный компаратор и другой тип корпуса.



Рис. 8. Структура микросхемы LV8406Т

LV8405V, LV8406T (по данным на ноябрь 2008 г.) — двухканальные ДД с D-MOS FET транзисторами и поддержкой ШИМ входных сигналов управления. Структура и нумерация выводов микросхемы LV8406T приведена на рис. 8, в скобках указаны номера выводов микросхемы LV8405V (выводы EN1, EN2, VS отсутствуют). В состав микросхем входят: схема запуска (Startup Control Block); узел температурной защиты (Thermal Protection Circuit); схема защиты от пониженного напряжения (Reduced-voltage Protection Circuit); схема управления (Motor Control Logic); генератор подкачки заряда (Charge Pump); Н-мосты на D-MOS FET транзисторах.

Основные параметры микросхемы при Т = 25 °С:

  • Максимальный импульсный ток 1,4 А (при tи менее 0,1с).
  • Vcc — 2,8–5,5 В.
  • Icc — 0,85–1,2 мА.
  • Мощность рассеяния Ррасс — 0,8 Вт (LV8405V), 3,1 Вт (LV8406T).
  • Максимальная частота следования импульсов управления fмакс. — 200 кГц.
  • Напряжение генератора подкачки заряда VG = (Vcc+VS) — 9 В (в качестве источника напряжения VS используются цепи VM1 или VM2).
  • Ron — 0,75 Ом.

К одноканальным полномостовым ДД (1-channel H-bridge driver) относятся микросхемы LV8011V, LV8013T, LV8019LP/V, LV8075LP, выполненные по гибридной технологии Bi-CMOS IС (LSI) с Н-мостами на диффузионных МОП-транзисторах (D-MOS FET).

Микросхема LV8013T (по данным на ноябрь 2008 г.) поддерживает ШИМ-управление скоростью вращения двигателей. Ее структура и нумерация выводов приведены на рис. 9, в состав микросхемы входят те же узлы, что показаны на рис. 6. Типовая схема включения LV8013T приведена на рис. 10. Каскад на транзисторе VT1 используется для подачи напряжения генератора подкачки заряда с вывода TOUT на внешние устройства.



Рис. 9. Структура микросхемы LV8013T



Рис. 10. Типовое включение микросхемы LV8013T

Основные параметры микросхемы при Т = 25 °С:

  • Vcc — 2,7–5,5 B, импульсный ток 2 А (tи <0,1с); частота следования импульсов управления fмакс. — не более 200 кГц (при скважности 50%).
  • Емкости конденсаторов ГПЗ (С1, С2, CVG1, CVG2) — 0,001–0,1мкФ.
  • Icc — 0,6–1,2 мА.
  • Ron — 0,3 Ом.
  • Выходные напряжения ГПЗ VG1 — 5,4 B, VG2 = VM+VG1 = 17,4 B.

Параметры аналогичной по структуре микросхемы LV8011V (корпус SSOP20) несколько хуже: VM — 2–6,5 B, Vcc — 4,5–5,5 B, fмакс. <100 кГц, Io — 1 A.

Микросхемы LV8019LP, LV8019V (по данным на январь 2008 г.) поддерживают режим постоянного выходного тока (Constant Current Output).

Основные параметры микросхем:

  • Vcc— 2,7–6 B.
  • fмакс. — 100 кГц.
  • Ron — 0,45 B.

Микросхема LV8075LP (по данным на май 2008 г.) поддерживает режим постоянного выходного напряжения (Constant Voltage Control).

Основные параметры микросхем:

  • VM/Vcc — 2,5–5,5 B.
  • Ron — 1,75 Ом.

К одноканальным ДД с ШИМ-управлением выходным током (PWM Current Control) относятся микросхемы LB1947 (биполярная технология), LV8760T, LV8761V (Bi-CMOS LSI технология).



Рис. 11. Структура микросхемы LV8760T

Структура микросхем LV8760T, LV8761V (по данным на апрель 2008 г.) приведена на рис. 11. В ее состав входят: ГПЗ (Charge Pump); формирователь образцового напряжения (Reference Voltage Circuit); схемы температурной защиты (TSD) и защиты от пониженного напряжения питания (LVS); генератор (Oscillation Circuit); схема защиты от коротких замыканий (Short-circuit Protection Circuit); драйверы затворов выходных транзисторов (Outpit Preamplifier Stage); схема управления (Output Control Logic); схема ограничения выходного тока (Current Limiter Circuit) и выходные транзисторы Н-моста В1, В2, Н1, Н2.

Основные параметры микросхем при Т = 25 °С: VM — 24 B, Vcc — 5 B, VREF — 1,5 B: Io — 3 A, Pрасс — 3,3 Вт, Icc — не более 4 мА, VREG (вывод REG5)— 5 В, Ron — 0,2–0,32 Ом; частота генератора — 115–165 кГц (типовое значение — 140 кГц).



Рис. 12. Типовое включение микросхемы LV8760T

На рис. 12 приведена типовая схема включения микросхемы LV8760T, в таблице 5 перечислены состояния, а на рис. 13 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм ограничения выходного тока Н-моста. Конкретная величина ограничения тока (Limit Current) определяется формулой:

Iогр = (Vref[B]/5)/RNF),

где Vref = Vcc×R3/R2+R3 (B), RNR = R1 (Ом). При указанных на схеме рис. 12 параметрах величина ограничения тока Iогр = 1,36 А. Низкий логический уровень сигнала на выводе 10 PS (Power Save) переводит микросхему в ждущий режим, при котором ток по цепи Vcc не превышает 1 мкА.



Рис. 13. Временные диаграммы микросхемы LV8760T

Таблица 5. Логические состояния микросхемы LV8760T

Входы управления Выходы Режимы
PS IN1 IN2 OUT A OUT B
L X X XX XX дежурный
H L L XX XX стоп
H H L H L вперед
H L H L H назад
H H H L L торможение

Микросхемы ДД серии STK выполнены по гибридно-пленочной технологии (Thick-Film Hybrid IC) и предназначены для электропривода двигателей постоянного тока средней мощности.

Структура микросхем STK681-200-E/210-E (по данным на июль 2008 г.) приведена на рис. 14. В состав микросхем входят: контроллер тока (Current Control), схема температурной и токовой защиты (Overheating Current Control), логические схемы управления и Н-мост, верхние плечи TR1 и TR2 которого выполнены на составных биполярных транзисторах, а нижние—F1 и F2— на МОП-транзисторах. Верхние плечи Н-моста микросхемы STK681-210-E также выполнены на МОП-транзисторах.



Рис. 14. Структура микросхем STK681/200/E, STK681/210/E

Назначения выводов микросхем:

  • 7, 8 (IN1, IN2) — входы управления Н-моста.
  • 12 (INH) — вход включения дежурного режима или режима «стоп» во время вращения двигателя.
  • 3, 5 (OUT1, OUT2) — выходы Н-моста.
  • 11 (Vref1) — вывод для контроля напряжения 0,42 В на делителе R1/R2, при этом напряжении пиковое значение выходного тока не превышает Io = Vref1/RS.
  • 10 (Vref2)— вспомогательный вывод, может быть использован для включения режима «стоп», для чего необходимо соединить его с корпусом (вывод 1).
  • 2 (S.P) — напряжение Vref1 может быть уменьшено подключением внешнего резистора между выводами 2 и 11, при этом значение Io также уменьшается.

Классификационные и предельные параметры микросхемы STK681-200-E (в скобках приведены данные для STK-681-210-E) при температуре окружающей среды 25 °С:

  • Импульсный ток — 8 А (одиночный импульс длительностью 60 мс).
  • Напряжение питания Vcc1 — 10–42 B, Vcc2— 5 B ±5%.
  • Максимальный выходной ток при температуре кристалла 90 °С — 3,2 А (4,2 А).
  • Максимальная температура выводов микросхем — 150°. Основные параметры микросхем при Т = 25 °С, Vcc1 = 24 B, Vcc2 = 5 B.
  • Ток потребления по цепи Vcc2 — 2,7 мА (3,3 мА).
  • Напряжение насыщения транзисторов верхних плеч Н-моста — 0,8 В (0,15 В), нижних плеч — 0,22 В (0,2 В).
  • Минимальное напряжение сигналов управления высокого уровня — 4,5 В, максимальное напряжение сигналов управления низкого уровня — 0,6 В.



Рис. 15. Графики зависимости температуры подложки от мощности рассеяния и мощности рассеяния от выходного тока микросхемы STK681/200/E

На рис. 15 приведены графики зависимости температуры подложки (Substrate) микросхемы STK681-200-E без теплоотвода от мощности рассеяния и мощности рассеяния от выходного тока при напряжении питания 24 В. На рис. 16 представлены временные диаграммы сигналов управления микросхем в различных режимах, режим «вперед» реализуется при положительном напряжении на выходе OUT1 (открыты транзисторы TR1, F2, рис. 14), режим «назад» — на выходе OUT2 (открыты транзисторы TR2, F1). Режим «стоп 2» (при лог. «1» на выводе INH) рекомендуется использовать при реверсировании двигателя перед переходом в режим торможения, при этом длительность интервала «стоп 2» (Dead time) не должна быть менее 10 мкс (в режиме торможения открыты транзисторы F1, F2). В режиме «стоп 1» все транзисторы моста закрыты. Микросхемы STK681-300/310 и STK681-320 отличаются от ранее рассмотренных микросхем наличием дополнительных выводов от резистора RS и контроллера тока (рис. 14).



Рис. 16. Временные диаграммы сигналов управления микросхем STK681/200/E, STK681/210/E

Выводы

Сделать осознанный выбор конкретных микросхем электропривода двигателей из многих сотен вариантов весьма непросто. По мнению автора, в первую очередь разработчику следует определить предполагаемого производителя микросхем, при этом можно ориентироваться на перечень фирм в начале статьи. Облегчит решение задачи выбор компаний, позиционирующих микросхемы ДД как отдельную категорию изделий и выпускающих большую номенклатуру приборов. К таким фирмам, в частности, относятся Allegro, Hitachi, Infineon, International Rectifier, New Japan Radio (JRC), NEC, RHOM, Sanken, SANYO, Toshiba. Приведенный список не является исчерпывающим, кроме того, перед разработчиком неизбежно встанет проблема выбора конкретных дистрибьюторов, предпочтительно отечественных.

Номенклатура микросхем SANYO Semiconductor в разделе каталога Motor Drivers на середину 2009 г. представлена почти тремя сотнями позиций (283). Микросхемы в каталоге классифицированы по категориям и назначению, однако некоторые из них могут фигурировать в различных категориях. В частности, ряд микросхем подраздела Brush Motor Drivers имеются и в подразделе Stepping Motor Drivers (LB1836M, LB1837M, LB1948M, LV8012T, LV8014T, LV8085CL, LV8086T, LV8405V, LV8406T, LV8413GP, LV8731, LV8740V, LV8741V/VB). Первичный выбор необходимых микросхем ДД постоянного тока можно сделать по данным из таблицы 1 и материалам настоящей статьи. Немаловажное значение при разработке схем электропривода имеет конструктивное исполнение ДД, чертежи общего вида ряда корпусов микросхем ДД постоянного тока фирмы приведены в приложении к статье, размещенном на сайте журнала (http://www.kit-e.ru/assets/Prilozenie-17.rar).

В сверхминиатюрных корпусах VCT16, VCT24, VQLP24, ECSP2823 выполнены однои двухканальные ДД LV8019V, LV8075LP, LV8080LP, LV8082LP, LV8085CL, LV8411GR, LV8413GP. Эти микросхемы обладают высокой эффективностью (КПД), поэтому их можно применять в мобильных приложениях, например в робототехнике, в приводах двигателей объективов видеокамер и других устройствах с автономным питанием. Эффективность микросхем ДД в основном определяется потерями мощности на открытых транзисторах мостов. Для микросхем с биполярными транзисторами нормируется напряжение насыщения открытых транзисторов Uнас, с полевыми транзисторамисуммарное сопротивление открытых транзисторов Ron (сопротивление транзисторов верхнего и нижнего плеч моста).

Регулировать скорость вращения двигателей постоянного тока можно двумя способами: изменением величины постоянного тока через транзисторы моста или изменением скважности ШИМ-импульсов, следующих с частотой в десятки килогерц. Импульсный способ регулировки значительно более экономичен. Большинство рассматриваемых микросхем, в том числе ДД средней мощности серии STK, способны работать в импульсном режиме.

Использованные термины и сокращения

ГПЗ — генератор подкачки заряда (Charge Pump), разновидность преобразователя постоянного напряжения. В данном случае ГПЗ обеспечивают получение напряжений, превышающих напряжение питания микросхем (не нужны дополнительные источники питания). Для низковольтных микросхем ДД с полевыми транзисторами в мостах использование повышенных напряжений смещения затвора увеличивает эффективность коммутации (снижается Ron).

Н-мост (H-bridge, полный мост) — коммутационная схема, состоящая из четырех механических или электронных переключателей, обеспечивающая подачу в нагрузку напряжений разной полярности от одного источника питания. В отношении ДД элементами Н-моста являются биполярные или полевые транзисторы. Иногда термин Н-bridge трактуется как Half-bridge — полумост (схема из двух переключателей).

High Side Switch (driver) — драйвер верхних транзисторов Н-мостов. Gate Driver — драйвер затворов полевых и БТИЗ-транзисторов.

Low Side Driver — драйвер нижних транзисторов Н-мостов.

Литература

  1. www.linear.com
  2. http://www.maxim-ic.com/products/power/
  3. www.mitsubishichips.com
  4. http://www.necel.com/motor_driver/en/index.html
  5. http://www.eu.necel.com/applications/industrial/01_motor_control/index.html
  6. http://www.sanken-ele.co.jp/en/prod/semicon/pic/index.htm
  7. http://semicon.sanyo.com/en/about/outline.html
  8. http://eu.sanyo.com/EMEA-Portal/Products/russia/
  9. http://www.semiconductor-sanyo.com/motor/index.asp
  10. http://www.semiconductor-sanyo.com/motor/list.asp?CD3=30

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке