步进电机驱动芯片A3977问题解答

 

问：A3977有多少种细分模式？

答：全步、半步、四细分、八细分。

 

问：A3977是否仅仅设计用来代替管脚兼容的旧款产品？

答：不，A3977可提供比市面上绝大多数的二相双极性步进电机驱动产品更加经济、易用的解决方案。在以前要使用两个或更多芯片的设计项目中，现在仅使用一片A3977即可实现原先的全部功能。

 

问：译码器和驱动器集成在同一芯片中有什么好处？

答：译码器和驱动器集成在同一芯片中可大为降低系统资源的消耗，以前的二相双极性步进电机驱动产品需要占用6-8个端口，而A3977最少只需两个端口（步进脉冲、方向）即可。

 

问：输入端是否需要上拉或下拉电阻？

答：不需要，输入端可直接连接正电源（Vdd）或地（GND）。如确实需要上拉或下拉电阻，建议阻值1K欧。

 

问：A3977提供了哪些保护功能？

答：

过热停机（TSD）；

欠压停机（UVLO）；

错相短路保护；

稳压器、电荷泵电压监控；

 

问：A3977电机驱动电压****是多少？

答：任何情况下都不得超过35V。

 

问：数据手册上提到的±2.5 A驱动能力，是指的整个芯片还是每一相H桥？

答：是指的还是每一相H桥标称±2.5 A驱动能力。另外要注意芯片运行时结温不能超过150°C。

 

问：A3977需要什么外围器件？

答：

1，Rs1和Rs2，两个用于PWM恒流控制的电流采样电阻，此电阻应选用无感电阻。阻值的计算请参照以下公式：

Rs = 0.5 / Itripmax

在保证性能的前提下，尽量减小Rs阻值可降低能耗，改善散热状况。采样电阻上应并联一0.1 μF无极性陶瓷电容；

2，CP1和CP2脚之间必须连接一0.22 μF无极性陶瓷电容；

3，Vreg脚和地之间应连接一0.22 μF无极性陶瓷电容；

4，逻辑电源（Vdd）建议加0.1 μF无极性陶瓷电容退耦；

5，电机驱动电源建议加47μF以上的电解电容退耦，如果考虑斩波频率较高，还可并联一0.1 μF无极性陶瓷电容；

6，PFD端应对地接一0.1 μF无极性陶瓷电容。

 

问：PCB布线上应注意什么问题？

答：采样电阻应尽量接近芯片，其接地端应通过单独的路径连接芯片的接地端。地线应尽可能地粗。电机驱动电源上的退耦电解电容应尽量靠近芯片。

 

问：A3977的控制方式是恒流控制还是恒压控制？

答：恒流控制。芯片内部的脉宽调制恒流斩波电路控制电机绕组电流，外部的阻容回路设置斩波周期中的关段时间。

 

问：线路板需要多大面积的敷地才能够保证大电流工作时损耗最小？

答：至少要芯片封装面积的两倍大。

问：有没有降低芯片功耗的技巧？

答：在输出端相对驱动电源和地之间外接正向压降比较低的肖特基箝位二极管，可以降低芯片本身的功耗。也可以安装散热器，但效率不高。注意：如果外接箝位二极管的话，一定要禁止SR功能才能让外接的二极管发挥****作用。

问：有没有关于外接二极管的应用笔记？

答：每一个输出端都要和VBB之间连接一个肖特基二极管（二极管负极接VBB），同时也要和地之间连接一个肖特基二极管（二极管正极接地，不要连接到SENSE端）。当使用整步模式或者PFD设置为全部慢衰减的时候，连接到VBB的四个二极管可省去，它们对降低系统功耗没有作用。

 

问：有没有推荐的肖特基二极管型号？

答：我们通常不推荐某一特定型号，请根据实际应用场合选择耐压和电流合适的产品即可。

 

问：A3977可否使用在便携设备中？

答：当然可以。A3977有休眠功能，在不工作的时候可大大降低功耗。在睡眠状态下，芯片只消耗20μA的电流。逻辑电源范围是3.0v到5.5v，可适应大部分电池供电的产品。

 

问：运行的时候可否改变细分数？

答：可以。只要达到时序要求即可。从高细分数改变为低细分数****是电流值处于到初始值的时候（HOME端输出为低）。相对的，如果从低细分数改变为高细分数（如二细分改为四细分），由于四细分运行两步后将达到和二细分相同的输出电流（具体请参见数据手册table2），编码器在下一步的时候将不会改变电流值，再下一步的时候将直接输出二细分表中相应的电流。

 

如果在改变细分数的时候想保持电机匀速，当从高细分改为低细分的时候，步进脉冲也应相应地进行2，4或8倍频。应在电流值正好为低细分的某一个值上时改变。

 

相对应地，如果在改变细分数的时候想保持电机匀速，当从低细分改为高细分的时候，步进脉冲也应相应地进行2，4或8分频。如果从高细分改为低细分的时候，当前输出的电流在低细分表中不存在，那么译码器在下一步将跳到低细分的下一步，但不会实际改变电流值，再输入一步的时候，芯片将实际输出相应的低细分表中的电流。例如，从八细分的第二步改为全步，那么输入下一个步进脉冲的时候，输出电流不变。再输入一个步进脉冲，电流值将直接跳到全步的第三步。效果相当于电机在八细分下走了十一步。

 

问：电流衰减模式是怎么样自动选择的？

答：A3977能在相应的时候自动设置合适的电流衰减模式。当下一步输出的电流要比当前低时，电流衰减模式为混合衰减（可由PFD端控制快/慢衰减时间各占的比例）。当下一步输出的电流要比当前高时，电流衰减模式为慢衰减。芯片上电复位的时候，两个桥都是混合衰减模式。

 

 

1　引　言 

　　随着微步进电机应用的日益广泛，其驱动电路的发展也相当迅速，各类控制芯片的功能越来越丰富，操作也越来越简便。A3977是一种新近开发出来、专门用于双极型步进电机的微步进电机驱动集成电路，其内部集成了步进和直接译码接口、正反转控制电路、双H桥驱动，电流输出2．5A，****输出功率可接近90W。它主要的设计功能包括：自动混合模式电流衰减控制，PWM电流控制，同步整流，低输出阻抗的DMOS电源输出，全、半、1／4及1／8步进操作，HOME输出，休眠模式以及易实现的步进和方向接口等。其应用电路结构简单、使用及控制方便，有着极其广泛的应用价值。 

2　A3977工作特点 

　　大多数微步进电机驱动器都需要一些额外的控制线，通过D／A转换器为PWM电流调节器设置参考值以及通过相输入完成电流极性控制等。许多改进型驱动器仍然需要一些输入来调整PWM电流控制模式使其工作在慢、快或混合衰减模式。这就需要系统的微处理器额外负担8～12个需依靠D／A变换处理的输入端。如果一个系统需要如此多的控制输入，而且其微处理器还要存储实现其控制的时序表，这就增加了系统的成本和复杂程度。 

 

　　A3977可以通过其特有的译码器来使这些功能实现简单化，如图1所示，其******的步进输入只需“STEP”（步进）和“DIR”（方向）2条输入线，输出由DMOS的双H桥完成。通过“STEP”脚简单的输入1个脉冲就可以使电机完成1次步进，省去了相序表，高频控制线及复杂的编程接口。这使其更适于应用在没有复杂的微处理器或微处理器负担过重的场合。同时A3977的内部电路可以自动地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰减模式。这不但降低了电机工作时产生的噪声，也同时省去了一些额外的控制线。 

　　另外，其内部低输出阻抗的N沟道功率DMOS输出结构，可以使其输出达到2．5A，35V。这一结构的另一优点是，使它能完成同步整流功能。由于有同步整流流功能，既降低了系统的功耗，又可以在应用时省去外加的肖特基二极管。 

    A3977的休眠功能可以使系统不工作时的功耗达到****。休眠时芯片的大部分内部电路，如输出DMOS、比较器及电荷泵等都将停止工作。从而在休眠模式时，包括电机驱动电流在内的总电流消耗在40μA以内。此外，内部保护电路还有利用磁滞实现的热停车、低压关断及换流保护等功能。 

集成电路的主要特点： 

    （1）额定输出为：±2．5A，35V。 

    （2）低输出阻抗，源端0．45Ω，接收端0．36Ω。 

　　（3）自动电流衰减检测并选择混合、快和慢等电流衰减模式。 

    （4）逻辑电平范围为3．0～5．5V。 

    （5）HOME输出。 

    （6）降低功耗的同步整流功能。 

　　（7）内部低压关断、热停车电路及环流保护。 

3　A3977引脚说明 

　　A3977有两种封装：一种是44引脚铜标塑封（后缀为ED，A3977SED），另一种是28引脚带散热衬垫的塑封（后缀为LP，A3977SLP），其引脚功能说明如表1所示。 

　　电荷泵CP1、CP2可以产生一个高于VBB的门电平，用来驱动DMOS源端的门。其实现方法是在CP1和CP2之间接一个0．22μF的陶瓷电容。同时VCP和VBB间也需要一个0．22μF的陶瓷电容作为一个蓄能器，用来操作DMOS的高端设备。 

　　VREG是由系统内部产生，用于对DMOS漏端输出进行操作。VREG引脚须对地加一个0．22μF的陶瓷电容作为一个蓄能器，用来操作DMOS的高端设备。 

　　VREG是由系统内部产生，用于对DMOS漏端输出进行操作。VREG引脚须对地加一个0．22μF的电容去耦。VREG是受内部的电平调节器控制的，发生故障时其输出是被禁止的。 

　　RC1和RC2引脚是为内部PWM电路提供固定截止时间的。A3977的内部PWM控制电路是用一个脉冲来控制器件的截止时间的。而这个脉冲的—84—截止时间toff就是由RC1和RC2引脚对地所接的电阻RT和电容CT决定的，即： 

　　toff＝RT CT 

　　式中，电阻RT和电容CT的取值范围分别为12～100kΩ及470～1 500pF〉 

　　另外，除了可以为内部PWM控制提供截止时间外，CT还为比较器提供了关断时间tBLANK。A3977的设计要求当其输出由内部电流控制电路切换时，电路取样比较器的输出是被禁止的。从而可以防止对过电流检测作出误判断。tBLANK的取值为： 

　　tBLANK＝1400CT 

　　ENABLE输入为低电平有效，它是DMOS输出的使能控制信号。RESET输入也是低电平有效，当其为低电平时，DMOS的输出将被关断，所有的步进逻辑输入也将被忽略直至其输入变高为止。 

4　基本功能说明及应用电路 

　　由于采用了内置译码器技术，A3977可以很容易的使用最少的控制线对步进电机实施微步进控制。具体功能实现如下： 

　　（1）步进控制：步进控制信号有步进输入（STEP）、步进模式逻辑输入（MS1，MS2）以及方向控制信号（DIR）。每一次上电或复位（RESET＝0）后，在内置译码器的作用下将H桥的输出预置到HOME输入所对应的输出状态，然后当STEP输入的上升沿到来后，内置译码器将根据步进逻辑的输入值（步进模式见表2）控制H桥的输出，使电机在当前步进模式下产生1次步进。 

　　步进的方向由DIR的输入逻辑控制，其高、低电平分别控制双相电机正反转。 

 

    注：①全步进转过的角度为45°。 

　　（2）内部PWM电流控制：每一个H桥都有一个有固定截止时间的PWM电流控制电路，以限制其负载电流在一个设计值。初始时，对角线上的一对源接收DMOS（一对上下桥臂）处于输出状态，电流流经电机绕组和SENCE脚所接的电流取样电阻（见图1）。当取样电阻上的压降等于D／A的输出电压时，电流取样比较器将PWM锁存器复位，从而关断源驱动器（上桥臂），进入慢衰减模式；或同时关断源接收驱动器（上下桥臂）进入快或混合衰减模式，使产生环流或电流回流至源端。该环流或回流将持续衰减至固定截止时间结束为止。然后，正确的输出桥臂被再次启动，电机绕组电流再次增加，整个PWM循环完成。 

　　其中，****限流Imax是由取样电阻RS和电流取样比较器的输入电平VREF控制的： 

　　Imax＝VREF／8RS固定截止时间toff的计算如上所述。 

　　（3）电流衰减模式控制：A3977具有自动检测电流衰减及选择电流衰减模式功能，从而能给微步进提供****的正弦电流输出。电流衰减模式由PFD的输入进行控制，其输入电平的高低控制输出电流处于慢、快及混合衰减模式。如果PFD的输入电压高于0．6VDD，则选择慢衰减模式。如果PFD的输入电压低于0．21VDD，则选择快衰减模式。处于二者之间的PFD电平值将选择混合衰减模式。 

　　其中混合衰减模式将一个PWM周期的固定截止时间分为快、慢两个衰减部分。当电流达到****限流Imax后，系统将进入快衰减模式直至SENCE上的取样电压衰减至PFD的端电压VPFD。经过tFD的快衰减后，器件将切换至慢衰减模式直至固定截止时间结束。 

    其中，器件工作在快衰减模式的时间tFD为： 

    tFD＝RTCrln（0．6VPFD／VPFD） 

　　（4）同步整流控制：同步整流控制是由SR的逻辑输入控制的。当SR输入为低电平时，同步整流功能将被启动。此期间，当检测到电流为零值时，可通过关闭同步整流功能来防止负载电流反向，从而防止了电机绕组反方向导通。而当SR输入为高电平时，同步整流将被禁止。 

　　（5）休眠模式：当SLEEP引脚输入为低电平时，器件将进入休眠模式，从而大大降低器件空闲的功耗。进入休眠模式后器件的大部分内部电路包括DMOS输出电路、调节器及电荷泵等都将停止工作。当其输入为高电平时，系统恢复到正常的操作状态并将器件的输出预置到HOME状态。 

　　（6）典型应用电路：其典型应用电路如图1所示，可见其应用电路是非常简单的，其正常工作时仅需5个逻辑输入即可。 

5　应用注意事项 

   （1）PFD引入端应加一个0．1μF的电容去耦。　　 

　　（2）布线时应布一个较厚的地层，****在本器件周围布上星形地。 

    （3）****将芯片直接焊接在线路板上。 

　　（4）为VBB引脚加一个大于47μF的电解电容去耦（越靠近芯片越好）。 

　　（5）为保证输出电流取样的精确，****使取样电阻有自己单独的地，并将其连到器件周围的星形地 

上，而且引线越短越好。 

　　（6）当系统由休眠模式退出后，最少要延迟1ms才可以输入步进命令，从而为驱动DMOS的电荷泵复位提供充裕的时间 

 

主要特点及应用: 

(1)额定输出为:±2．5A,35V. 

(2)低输出阻抗,源端0．45Ω,接收端0．36Ω. 

(3)自动电流衰减检测并选择混合、快和慢等电流衰减模式. 

(4)逻辑电平范围为3．0~5．5V. 

(5)HOME输出. 

(6)降低功耗的同步整流功能. 

(7)内部低压关断、热停车电路及环流保护. 

 

 

A3977

带转换器的微步 DMOS 驱动器

 

特点 

±2.5 安培 35 伏特输出率 

低 rDS(ON)输出（一般为 0.45 欧源极，0.36 欧灌电流） 

自驱电流衰减模式检测/选择 

3.0 至 5.5 伏特逻辑电源电压范围 

混合、快与慢电流-衰减模式 

自动导向输出 

对低功率耗散同步整流 

内部欠压锁定 (UVLO) 及过热关机电路 

交叉电流保护 

 

描述 

A3977SED 与 A3977SLP 是两个完整的微步电动机驱动器，带有内置转换器。 二者可在整体、1/2、1/4 及 1/8 步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动器容量为 35 伏特及±2.5 安培。A3977 包括一个固定停机时间电流稳压器，该稳压器可在低、快或混合衰减模式下工作。 此电流衰减控制方案能减少可听到的电动机噪音、增加步进精确度并减少功率耗散。 

 

转换器是 A3977 易于实施的关键。 通过简单的在“步进”输入中输入一个脉冲，电动机会产生步进（完整、1/2、1/4 或 1/8 步进，根据两个逻辑输入的情况而定）。 该程序中没有相位顺序表、高频率控制行或复杂的界面。 A3977 界面非常适合复杂的 μP 不可用或过载的应用。 

 

内部同步整流控制电路用来改善脉宽调制 (PWM) 操作时的功率消耗。 

 

内部电路保护包括因滞后引起的过热关机、欠压锁定 (UVLO) 及交叉电流保护。 不需要特别的加电排序。 

 

A3977 具有两种功率封装可供选择，即带铜质蝙蝠翼状片的 44 引脚塑料 PLCC 以及带外露隔热盘的（后缀为 LP）的较薄（  <1.2 毫米）28 引脚 TSSOP。 该 SLP 封装是无铅产品，且引脚框采用********雾锡电镀。

 

使用A3977生产的，市面上最小的步进电机驱动器：