Микросхемы для управления электродвигателями компании ROHM Semiconductor

В статье речь пойдет об одной из самых успешных на рынке групп микросхем, производимых компанией ROHM Semiconductor, — микросхемах управления электродвигателями (драйверах двигателей) различного типа. Эта группа микросхем включает в себя несколько десятков наименований и давно завоевала признание у разработчиков и производителей электронного промышленного оборудования самого разного назначения, автомобильной электроники, медицинской техники и торгового оборудования. Российским разработчикам и производителям электроники в основном известны микросхемы драйверов компании ROHM Semiconductor для управления шаговыми электродвигателями. Поэтому основная цель автора — это предоставление читателю полной информации о номенклатуре, параметрах и возможностях микросхем драйверов электродвигателей компании ROHM Semiconductor.

В последнем каталоге продукции компании ROHM Semiconductor информация о микросхемах драйверов электродвигателей размещена в разделе Motor Drivers ICs. В каталоге представлены микросхемы реверсивных драйверов двигателей постоянного тока и мостовые драйверы [1]. Классификационные параметры микросхем реверсивных драйверов приведены в таблице 1. Все микросхемы обеспечивают рабочие режимы вперед/назад/торможение и режим ожидания с малым токопотребле-нием. Микросхемы могут быть использованы в качестве драйверов серводвигателей бытовой аппаратуры, офисной техники, промышленной автоматики, торгового оборудования и в других приложениях.

Таблица 1. Классификационные параметры микросхем реверсивных драйверов

Более подробно рассмотрим особенности ре-версивных драйверов двигателей на основе технических описаний конкретных микросхем.

BA6950FS, BA6951FS — эти микросхемы предназначены для управления скоростью вращения коллекторных двигателей в линейном режиме изменением управляющего напряжения. Структура и типовое включение микросхемы BA6950FS приведены на рис. 1. В состав микросхемы входят:

• схема управления;
• усилитель сигнала управления;
• усилитель сигнала датчика выходного тока (CS AMP);
• предварительный усилитель с Ку = 4;
• выходные усилители и схема температурной защиты.

Рис. 1. Структура и типовое включение микросхемы BA6950FS

В состав микросхемы BA6951FS дополнительно входит схема ограничения выходного тока (включается при заклиниваниях двигателя).

Назначение выводов микросхем:

• 1 (GND) — корпус;
• 2 (VCTL) — вход управления (задается скорость вращения двигателя);
• 3 (RC) — вывод для установки Ку усилителя CTRL AMP (определяется сопротивлением R1);
• 4 (PCT) — вывод для подключения конденсатора фазовой компенсации C1;
• 5, 10 (RIN, FIN,) — входы управления (переключение режимов);
• 6 (VB) — напряжение питания выходных усилителей;
• 7, 9 (М1, М2) — выходы;
• 8 (АТС) — вход усилителя сигнала датчика выходного тока (резистор R5);
• 11 (РС) — вывод для подключения конденсатора фазовой компенсации предварительного усилителя C2;
• 12 (VCC) — напряжение питания малосигнальных узлов;
• 13, 14 (CS1, CS2) — выводы для установки Ку усилителя CS AMP (определяется сопротивлением резистора R4), у микросхемы BA6951FS вывод 13 (TL) предназначен для установки уровня ограничения выходного тока;
• 15, 16 (RT2, RT1) — выводы для установки Ку усилителя PRE DRIVER (определяется сопротивлениями резисторов R2, R3). Основные параметры микросхем:
• Напряжение питания Vcc — 3-6 В, ток потребления Icc — не более 6 мА, в режиме стоп не более 1,5 мА.
• Напряжение на входе VCTL — 0-(Vcc-1,8) В.
• Максимальная мощность рассеяния — 0,813 Вт (при Т = 25 °C).
• Уровни сигналов управления на входах FIN, RIN: лог. «0»— не более 0,8 В, лог. «1»— не менее 2 В.
• Выходное напряжение высокого уровня Н (между выводами М1 или М2 и корпусом) — U_H ≈ 4,6 В (при VCTL =0,2 В).
• Напряжение насыщения высокого/низкого уровня U_CH/U_CL — 0,09/0,07 В (типовые значения при 1вых = 50 мА, RT1 = Vcc).

Особенности применения микросхем

Основное назначение микросхем — привод коллекторных двигателей постоянного тока мощностью до 3/5 Вт (BA6950FS/BA6951FS), а также аппаратуры с низким напряжением питания, эксплуатируемой при температурах окружающей среды в диапазоне -20…+75 °C.

Режимы работы в зависимости от логических уровней на выводах FIN/RIN: «0»/«0» — стоп (выходы М1, М2 имеют высокое сопротивление); «1»/«0» — вперед (U_M2 больше U_M1); «0»/«1» — назад (U_M1 больше U_M2); «1»/«1» — торможение (U_M1 = U_M2 ≈ 0). Скорость вращения двигателя зависит от величины управляющего напряжения на выводе VCTL. Стабилизация скорости вращения двигателя обеспечивается схемой авторегулирования с внешней обратной связью, датчиком выходного тока служит внешний резистор R5. Для расчета параметров внешних элементов схемы электропривода (рис. 1) используются следующие соотношения:

Irt1 = U_VCTL/R1,

Irt2 = Iact·R5/R4,

Urt1 = R3·(Irt1+Irt2),

Umx = 4Urt1,

где Iact — ток в обмотке двигателя, Umx (U_M1 или U_M2) — выходное напряжение высокого уровня U_H, Irt1, Irt2 — ток в цепях RT1, RT2, Urt1 — напряжение на выводе RT1.

Таким образом, напряжение высокого уровня:

U_H(Umx) = 4·(R2+R3)/R1·U_VCTL+ (4R3·R5/R4)·Iact.

Постоянная скорость вращения двигателя обеспечивается при выполнении соотношения:

R_L+R_ON+R5 = 4R3·R5/R4,

где R_L — сопротивление обмотки двигателя, R_ON — выходное сопротивление драйвера.

Зависимость напряжений высокого и низкого уровня UL выходного тока при различных температурах для микросхемы BA6951FS приведена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость напряжений высокого и низкого уровня от выходного тока

Для практического применения фирмой рекомендованы следующие значения внешних элементов схемы электропривода:

• R1 = 22 кОм (Irt1 менее 1 мА);
• R2+R3 = 1 кОм+1,5 кОм (Urt1·4 меньше VB);
• R4 = 560 Ом (Irt2 меньше 1 мА);
• R5 = 5,5 Ом (U_ATC меньше 1 В);
• С1 = 33 пФ; С2=С3=С4 = 0,1 мкФ; С5 = С6 = 1-100 мкФ.

BH6578FVM, BD7931F — реверсивные драйверы с большим динамическим диапазоном (суммарное R_ON ≈ 1 Ом) и выходными МОП-транзисторами. Структура и типовое включение микросхем приведены на рис. 3. В состав микросхемы входят:

• схема управления;
• H-мост на полевых транзисторах;
• схема температурной защиты. Назначение выводов микросхем:
• 1 (Vcc) — напряжение питания; 4 (POWGND) — силовой корпус; 5 (PREGND) — малосигнальный корпус;
• 2,3 (OUT+, OUT-) — выходы 1, 2;
• 6 (LDCONT) — вход управления;
• 7, 8 (REV IN, FWD IN) — входы установки режимов (назад/вперед, стоп, торможение). Основные параметры микросхем:
• Диапазон рабочих температур — -35…+85 °C (BH6578FVM), -40…+85 °C (BD7931F).
• Максимальная мощность рассеяния — 0,55 Вт (BH6578FVM), 0,69 Вт (BD7931F).
• Ток потребления в дежурном режиме (Icc1) — не более 0,8 мА.

Рис. 3. Структура и типовое включение микросхемы B6578FVM

Особенности применения микросхем

Микросхемы могут быть использованы в качестве драйверов серводвигателей мощностью до 3,5/7 Вт (BH6578FVM/BD7931F) в аппаратуре промышленного и бытового назначения, эксплуатируемой в расширенном диапазоне температур—35…+85 °C.

Режимы работы в зависимости от логических уровней на выводах FWD IN/REV IN: «0»/«0» — стоп (все транзисторы Н-моста закрыты); «0»/«1» — назад (ток течет от вывода OUT- к выводу OUT+); «1»/«0» — вперед (ток течет от вывода OUT+ к выводу OUT-); «1»/«1» — торможение (нижние транзисторы Н-моста открыты); лог. «0» — не более 0,5 В; лог. «1» — не менее 2 В. Регулировка скорости вращения двигателя производится изменением напряжения на выводе LDCONT от 0 до ≈4 В, что приводит к линейному изменению выходного напряжения от Uвых ≈ 0 до Uвых ≈ Vcc.

BA6956AN, BA6287F, BA6285FS, BA6285AFP-Y, BA6920FP-Y — реверсивные драйверы со встроенными антипараллельными диодами, схемой оптимизации выходного напряжения и малым токопотреблением в режиме стоп. Структуры всех микросхем в основном совпадают. На рис. 4 приведена структура микросхемы BA6956AN. Назначение выводов:

• 1 (VREF) — вход установки образцового напряжения; 2, 4 (OUT2, OUT1) — выходы Н-моста;
• 3 (RNF) — корпус Н-моста; 5 (VM) — напряжение питания Н-моста; 6 (VCC) — напряжение питания малосигнальных схем; 7, 9 (FIN, RIN) — входы управления; 8 (GND) — корпус. Основные параметры микросхем:
• Ток потребления в рабочем режиме (Icc1) — не более 36 мА (BA6920FP-Y — не более 12 мА).
• Ток потребления в дежурном режиме (Ist) — не более 15 мкА.

Рис. 4. Структура микросхемы BA6956AN

Особенности применения микросхем

Все микросхемы могут быть использованы в качестве драйверов серводвигателей мощностью 10/20 Вт в аппаратуре, эксплуатируемой в диапазоне температур -20…+75 °C, а микросхемы BA6285-Y — в расширенном (промышленном) диапазоне -40…+85 °C.

Алгоритмы управляющих сигналов такие же, как у уже рассмотренных микросхем. Величина выходного напряжения высокого уровня Voh определяется из соотношения Voh ≈ VREF — 0,85 В. Выходное напряжение низкого уровня Uol ≈ 0,15 В (BA6956AN, BA6920FP-Y — Uoh ≈ VREF, Vol ≈ 0,85 В). Изменением напряжения U_VREF можно регулировать скорость вращения двигателей. Сопротивление ограничительного резистора R1 выбирают в пределах 5-10 Ом.

BA6219BFP-Y — реверсивный драйвер повышенной мощности. Прототип микросхемы — BA6219BFP — применен в качестве драйвера загрузочного двигателя профессиональных видеокамер PANASONIC-AG-455, NV-MS4, MS5, M9000, M9500 и многих других моделей. Эти видеокамеры широко применялись в качестве репортажных в большинстве региональных телекомпаний России и стран СНГ и по многу лет эксплуатировались в различных климатических условиях. Автор несколько лет занимался сервисным сопровождением таких видеокамер, и за все время работы произошел только один отказ микросхемы BA6219BFP. Микросхема BA6222 является функциональным эквивалентом BA6219BFP-Y. Структура и нумерация выводов микросхемы BA6219BFP-Y приведены на рис. 5.

Рис. 5. Структура и типовое включение микросхемы BA6229BFP-Y

Назначение выводов:

•  2, 13 (CD1, CD2) — выводы для подключения конденсаторов схемы защиты от перекрестной проводимости (Cross conduction control pin);
• 4 (VR) — вход установки образцового напряжения (Reference voltage setting pin);
• 6, 8 (IN1, IN2) — входы управления режимами;
• 7, 19, 20, FIN — корпус; 10 (VCC1) — напряжение питания малосигнальных узлов; 11 (VCC2) — напряжение питания выход-ных каскадов;
• 15, 24 (OUT 2, OUT 1) — выходы. Основные параметры микросхемы (в скобках — отличающиеся параметры для BA6222):
• Максимальная мощность рассеяния (Pd) — 1,45 Вт (2 Вт).
• Ток потребления в рабочем режиме (Icc2) — не более 35 мА, в режиме торможения (Icc3) — не более 60 мА, в режиме стоп (Icc1) — не более 2,5 мА.
• Уровни сигналов управления на входах IN1, IN2 (Vih, Vil): лог. «0» — не более 1 В, лог. «1» — не менее 3 В.
• Ток смещения по цепи VR (Ivref) — 0,6-2,4 мА (при Uvr = 6,8 В).
• Выходное напряжение высокого уровня (Uoh) — не менее 6,5 В (9,5 В), низкого уровня (Uol) — не более 1,2 В (0,5 В). На рис. 6 приведены зависимости Uoh от выходного тока микросхем BA6219BFP-Y, BA6222 при различных температурах.

Рис. 6. Зависимость выходного напряжения высокого уровня от выходного тока микросхем BA6219BFP-Y, BA6222

Особенности применения микросхем

Области применения микросхем — электропривод двигателей мощностью до 40 Вт в системах автоматики, офисной технике, компьютерной периферии и других приложениях.

Резистор R1, обеспечивающий защиту микросхемы при коротких замыканиях, выбирают в пределах 5-10 Ом. Стабилитрон ZD для BA6219BFP-Y выбирают на напряжение Vzd ≈ Voh, для ВА62222 Vzd ≈ Voh/4. Емкости конденсаторов: С1 — 1-10 мкФ, С2, С3 — 0,01-1 мкФ, С4 — 0,01-0,1 мкФ. Уровни логических сигналов управления на входах IN1, IN2 в различных режимах такие же, как у рассмотренных микросхем (вперед — Uout1 больше Uout2). При изменении напряжения на выводе VR выходное напряжение высокого уровня микросхемы линейно изменяется, при этом выдерживается равенство Uvr ≈ Uoh. Схема температурной защиты срабатывает при температуре выводов 180 °C (150 °C), гистерезис 15 °C.

Недавно ROHM представила семейство новых микросхем для управления двигателями, выполненных по технологии BiCMOS, со встроенными ШИМ-генераторами и Н-мостами на комплементарных полевых транзисторах (рис. 7). В состав семейства вошли три серии микросхем, классифицированных по напряжению питания — 7, 18, 36 В [2]. Ряд микросхем нового семейства обладает совместимостью с микросхемами рассмотренного семейства реверсивных драйверов (рис. 8). У новых микросхем значительно снижена мощность рассеяния, а использование импульсного режима работы существенно уменьшает потери (рис. 9). Применение микросхем нового семейства позволяет исключить использование линейных или импульсных стабилизаторов напряжения питания. На рис. 10 и 11 приведены примеры сравнения параметров схем на реверсивных драйверах и на микросхемах из семейства Н-мостовых драйверов.

Рис. 7. Семейство микросхем Н-мостовых драйверов

Рис. 8. Совместимость реверсивных драйверов и Н-мостовых драйверов

Рис. 9. Сравнение мощностей рассеяния

Рис. 10. Отказ от внешних стабилизаторов

Рис. 11. Отказ от импульсных источников питания

Классификационные параметры семейства Н-мостовых драйверов коллекторных двигателей приведены в таблице 2. Все микросхемы обеспечивают рабочие режимы вперед/назад/торможение и дежурный режим с малым токопотреблением, параметры управляющих сигналов: лог. «0» — не более 0,8 В, лог. «1» — не менее 2 В.

Таблица 2. Классификационные параметры семейства Н-мостовых драйверов коллекторных двигателей

Примечание. * — перспективные (в разработке), new (новые).

BD6210F/HFP, BD6211F/HFP, BD6212FP/HFP, BD6215FP, BD6216FP/FM, BD6217FM — одно- и двухканальные полномостовые драйверы с Н-мостовым выходным каскадом серии 7 V. Микросхемы отличаются малым токопотреблением в режиме ожидания, ШИМ-управлением, наличием входа управления (VREF) для регулировки скважности импульсов, встроенной схемой защиты от перекрестной проводимости (Cross-conduction prevention circuit). В микросхемы встроены схемы защиты от перегрузки по току, напряжению и температуре. Структура одноканальных микросхем BD6210HFP, BD6211HFP, BD6212HFP в корпусах HRP7 приведена на рис. 12 (микросхемы серии в других корпусах отличаются только нумерацией выводов). Назначение выводов микросхем:

• 1 (VREF) — вход установки скважности импульсов (Duty setting pin);
• 2 (OUT1) — выход 1, 6 (OUT2) — выход 2;
• 3 (FIN) — вход управления (вперед), 5 (RIN) — вход управления (назад);
• 4 (GND) — корпус, 7 (VCC) — напряжение питания, FIN GND — корпус (теплоотвод).

Рис. 12. Структура микросхемы BD6210F

Основные параметры микросхем:

• Рекомендуемое напряжение питания (VCC) — 3-5,5 В.
• Рекомендуемое напряжение VREF — 1,5-5,5 В.
• Температура окружающей среды — -40…+85 °C.
• Максимальная температура выводов — 150 °C.
• Ток потребления (Icc) — не более 1,5 мА, в дежурном режиме — не более 10 мкА.
• Частота ШИМ-импульсов — 20-35 кГц (при VREF = 3,75 В).
• Частота внешних ШИМ-импульсов — 20-100 кГц.

Особенности применения микросхем

Микросхемы серии могут быть использованы в качестве одноканальных (BD6210/11/12) и двухканальных (BD6215/16/17) драйверов двигателей мощностью 2,5/5/11 Вт систем автоматики промышленного назначения с автономным питанием, эксплуатируемой в диапазоне температур -40…+85 °C, а также для привода двигателей медицинского оборудования, портативных принтеров, вентиляторов и других приложений. Режимы работы микросхем задаются сигналами управления на входах FIN, RIN, VREF, регулировка скважности ШИМ-импульсов может осуществляться изменением напряжения VREF или задаваться внешними управляющими сигналами. Возможные режимы работы приведены в таблице 3. Пути протекания токов через транзисторы Н-моста и временные диаграммы сигналов на входах FIN, RIN и выходах показаны на рис. 13. Для корректной работы схемы необходимо включить блокирующий конденсатор между выводами VCC и GND емкостью не менее 10 мкФ. Временные диаграммы сигналов на выводах FIN, RIN, VREF, OUT1, OUT2 при работе в режиме регулировки скважности изменением напряжения на выводе VREF приведены на рис. 14.

Рис. 13. Пути протекания тока через транзисторы Н-моста и временные диаграммы сигналов на входах FIN, RIN и выходах

Рис. 14. Временные диаграммы сигналов на входах FIN, RIN, VREF, OUT1, OUT2

Таблица 3. Режимы работы микросхем BD6210/11/12 и BD6215/16/17

В Н-мостовой схеме в моменты одновременного открытия верхних и нижних транзисторов создаются условия для кратковременного протекания тока от источника питания на корпус, что приводит к увеличению потерь. Схема защиты от перекрестной проводимости блокирует прохождение паразитных токов в моменты переключения транзисторов Н-моста (время блокировки — около 0,4 мкс).

Схема защиты от пониженного напряжения срабатывает при уменьшении напряжения питания до величины 2,3 В и менее, при этом все транзисторы Н-моста закрываются, при увеличении напряжения питания до 2,5 В и выше схема защиты выключается.

Схема защиты от повышенного напряжения закрывает все транзисторы Н-моста при увеличении напряжения питания до 7,3 В, блокировка снимается при уменьшении напряжения питания до 6,8 В и ниже. В дежурном режиме схема не функционирует (все транзисторы закрыты). Однако не рекомендуется допускать подачу повышенного напряжения питания длительное время.

Схема температурной защиты срабатывает при повышении температуры выводов микросхем до 175 °C, при остывании температуры выводов до 150 °C (номинальное значение) восстанавливается нормальная работа микросхем. Однако не следует допускать длительных периодов работы микросхем в режиме перегрева.

Временные диаграммы, поясняющие функционирование схемы защиты от перегрузки по току, приведены на рис. 15. В момент пуска двигателя формируются напряжения управления и статуса высокого уровня, при увеличении выходного тока выше порога срабатывания схемы ОСР напряжение статуса уменьшается до нуля и формируется импульс мониторинга выходного тока длительностью около 10 мкс. По спаду этого импульса включается таймер запрета на время около 290 мкс, в течение этого интервала транзисторы Н-моста закрыты, по окончании интервала запрета снова формируется импульс мониторинга для определения величины выходного тока. Если ток больше порога срабатывания схемы защиты от перегрузки по току, процесс повторяется.

Рис. 15. Временные диаграммы сигналов схемы защиты от перегрузки по току

Структура двухканальных драйверов BD6215FP, BD6216FP приведена на рис. 16 (микросхемы BD6216FM, BD6217FM отличаются нумерацией выводов). Параметры и функционирование микросхем практически не отличаются от описанных для однока-нальных драйверов (ток потребления Icc — не более 1,7 мА).

Рис. 16. Структура микросхем BD6215FP, BD6216FP

BD 6 220 F/HFP, BD6 2 2 1 F/HFP, BD6222 F/HFP, BD6225FP, BD6226FP/FM, BD6227FM — одно- и двухканальные Н-мостовые драйверы серии 18 V.

Отличия параметров (кроме отличий, имеющихся в таблице 2):

• Рекомендованное напряжение питания VCC — 6-15 В.
• Рекомендованное напряжение VREF — 3-15 В.
• Ток потребления — не более 2,5 мА (для двухканальных — не более 3,5 мА).

Структура и нумерация выводов соответствуют структуре и нумерации выводов микросхем серии 7 V (типы корпусов указаны в таблице 2). Режимы работы и особенности функционирования схем защиты не отличаются от описанных для микросхем серии 7 V. Микросхемы серии могут быть использованы для привода двигателей мощностью 6/12/20 Вт систем автоматики, вакуумных насосов, инструментов с автономным питанием и в других приложениях.

BD6230F/HFP, BD6231F/HFP, BD6232F/HFP, BD6235 FP, BD6236FP/FM, BD6237FM — одно- и двухканальные Н-мостовые драйверы серии 36 V.

Отличия параметров (кроме отличий, имеющихся в таблице 2):

• Рекомендованное напряжение питания VCC — 6-33 В.
• Рекомендованное напряжение VREF — 3-32 В.
• Ток потребления — не более 2,5 мА (для двухканальных — не более 3,5 мА).

Структура и нумерация выводов соответствует структуре и нумерации выводов микросхем серии 7 V в соответствующих корпусах.

Микросхемы серии предназначены для привода одного или двух двигателей автомобильных насосов, для инструментов повышенной мощности, редукторов, кассовых аппаратов, копиров, принтеров, а также для других промышленных, офисных и бытовых приложений.

Микросхемы выпускаются в различных корпусах, отличающихся размерами, конструкциями и теплоотводящими свойствами. Исполнения в перспективных корпусах характеризуются малыми температурными сопротивлениями кристалл/подложка/выводы. Температурные сопротивления корпусов микросхем, рассмотренных в статье (°С/Вт): SOP8 — 182; HRP7 — 89,3; HSOP25 — 86,2; HSOPM28 — 56,8.

Чертежи корпусов микросхем, рассмотренных в статье, приведены на сайте журнала — http://www.kit-e.ru/microcase.rar

Литература

1. http://www.rohm.com/products/lsi/motor/
2. http://www.rohm.com/news/080924.html