步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，目前已滲透到包括電腦、通信設備、辦公自動化、工業自動化、銀行設備在內的多重經濟領域且還在不斷深化。 相關數據顯示，2018年-2023年，中國步進電機製造行業市場規模將保持5.1%左右的年均增速。 樂觀估計，到2023年，行業市場規模有望突破180億元。
然而，隨著IoT和AI技術的發展，便攜式智能化產品對步進電機在封裝尺寸、功耗、控制精度、噪音、驅動響應速度等方面的要求與日俱增。 256細分、80nA睡眠功耗、12V/2A驅動能力、TQFN-3×3-16L/MSOP-10甚至更小封裝等等已經成為衡量產品性能高低的指標性參數。 同時，還要對短路（輸出之間和輸出對地、對電源之間）、過熱、過流等建立全方位的安全保護機制。 這一切，都給步進電機驅動設計工程師們提出了相當大的挑戰。
高達256細分
眾所周知，在非超載的情況下，步進電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，不受負載變化的影響。 當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。 我們可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的; 也可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
國內外對細分驅動技術的研究十分活躍。 目前，高性能的細分驅動電路已經可以細分到上千甚至能做到任意細分，經過複雜的計算，便可使細分後的步距角均勻一致，大大提高了步進電機的脈衝解析度，減小或消除了震盪、噪聲和轉矩波動，使步進電機更具有“類伺服”特性。
SGM42622是聖邦微電子極具代表性的一款步進電機驅動器。 採用真256細分和小型TQFN-3×3-16L綠色封裝，內部集成了邏輯控制和低RDS（ON）功率級電路，能夠實現可調關閉時間的PWM電流控制和高達1/256的細分精度。
圖1 SGM42622採用256細分
功耗尺寸之巧
為了讓器件能適用於不同應用場景中，提前預留出給客戶配置功能的引腳是行業內通行的做法。 以一顆28引腳的傳統步進電機驅動晶片為例，其晶片本體封裝面積約為9.7×4.4mm2，加上外圍約20多顆各種功能的分立器件，PCB板面積約為30×40mm2。 假設器件本身睡眠功耗為10μA，算上外圍器件功耗後，總功耗將在5mA以上。 儘管各晶片廠商想盡辦法，比如採用腳距更低的封裝或QFN封裝等，但需要的分立電阻電容並未因此減少，功耗降低效果依然有限。
比如採用MCU運行GPIO模擬I2C功能。 通用I/O控制晶片在開啟後的1ms內，利用器件待機（Standby）期間先寫入各個參數到寄存器，並讀出複查寫入是否正確。 之後，MCU再轉回通用I/O來控制晶片退出待機模式，並正常工作，從而降低了MCU的開銷和功耗。
SGM42622的功能強大，客戶可以在晶片待機期間對器件的開關頻率、細分精度、衰減模式、轉矩大小等參數進行編程設置，這也是SGM42622可以如此小巧的秘密所在。
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封裝 | 框圖 |
圖2 SGM42622兼具“小身材”和“大智慧”
安靜圓滑之美
通常來說，步進電機的電流過零失真會導致步進不夠均勻、圓滑，甚至可能導致失步或者可聽見的噪聲。 造成這一現象的主要原因是消隱時間（tBLANK）的長短和PWM的總關斷時間（tOFF）。 也就是說，消隱時間在小電流的情況下，需要一個較短的時間，所以採用自適應的消隱時間更加合適; 關斷時間過長，在小電流的情況下，電流會衰減到零點，從而導致每一步的平均電流明顯小於目標值。
而在SGM42622中，客戶可以通過連接在TOFF引腳和接地之間的外部電阻器對關斷時間（慢衰減+快衰減）進行靈活設置。 但為了增加調節電路的穩定性，必須與調節電阻器並聯插入一個小的RC系列。
圖3 用戶可以對SGM42622的總關斷時間（tOFF）進行靈活設置
數據顯示，該產品可以驅動輸出10V@1.8A（Peak），可以驅動尺寸為57的電機，驅動能力十分強大，非常適用於1.8V至12V DC總線、心電印表機、三維掃描儀、家庭用快球（Dome）、手機、平板電腦、電視機、攝像頭伸縮機構等細分市場領域。
圖4 實際驅動電機的電流波形圖@3.3V
結語
SGM42622隻是聖邦微電子電機驅動器產品家族中的一員。 未來，步進電機可以做到體積更小、性能更好、性價比更高，並逐步高集成化、智能化發展，實現高精度的控制。
參考來源