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特征
•双脉冲宽度调制微步进电机驱动器
–内置微步索引器
–每个绕组的电流不超过1.5 A
–三位绕组电流控制允许多达八个电流水平
–低MOSFET导通电阻
–可选的慢衰减或混合衰减模式
•8-V至32-V工作电源电压范围
•用于闸门驱动的内部充油泵
•内置3.3-V参考电压
•简单的步进/方向界面
•完全防止欠压、超温和过电流
•热增强表面贴装组件
应用
•打印机
•扫描仪
•办公自动化机器
•游戏机
•工厂自动化
•机器人技术
说明
DRV8821为打印机、扫描仪和其他办公自动化设备应用提供了双微步进电机控制器/驱动器解决方案。
两个独立的步进电机驱动电路包括四个H桥驱动器和支持微步进的索引器逻辑。每个电机驱动块采用N通道功率mosfet作为Hbridge驱动电机绕组。
简单的步进/方向接口可方便地与控制器电路连接。引脚允许在全步、半步、四分之一步或八步模式下配置电机，以及选择慢衰减模式或混合衰减模式。
内部关闭功能用于过电流保护、短路保护、欠压锁定和过热。
DRV8821采用48针HTSSOP封装（环保型：RoHS和无Sb/Br）。
（1）、有关所有可用的软件包，请参阅数据表末尾的可订购附录。
典型特征
详细说明
概述
DRV8821是一种双步进电机驱动器解决方案，适用于需要独立控制两个不同电机的应用。该装置集成了四个NMOS H桥、一个微步索引器和各种故障保护功能。DRV8821的电源电压在8至32 V之间，能够提供高达1.5 a满量程的输出电流。实际满标度电流将取决于环境温度、电源电压和PCB接地尺寸。
一个简单的STEP/DIR接口可以方便地连接到控制器电路。内部索引器能够执行高精度的微步进，而不需要处理器控制当前级别。该索引器是一种全步半步、微步至1/4和1/8的电缆。
电流调节可配置两种不同的衰减模式：慢衰减和混合衰减。混合衰减模式在增大电流阶跃时使用慢衰减，在减小电流阶跃时使用混合衰减，而慢衰减模式在增大或减小电流阶跃时始终使用慢衰减。
控制所有四个H桥中每个FET的栅极驱动，以防止过渡期间出现任何交叉传导（穿透电流）。
功能框图
特征描述
脉宽调制电机驱动器
DRV8821包含四个带有电流控制PWM电路的H桥电机驱动器。显示马达控制电路的驱动器A和B（通常用于驱动双极步进马达）的框图如下所示。驱动器C和D与A和B相同（尽管输出fet的Rds（on）不同）。
请注意，有多个虚拟机电机电源引脚。所有虚拟机引脚必须连接在一起的电机电源电压。
电流调节
通过比较器设置PWM斩波电流，比较器将连接到xISEN管脚的电流感测电阻器上的电压与参考电压相乘5倍。参考电压由xVREF引脚输入。
满标度（100%）斩波电流计算如下：
例子：
如果使用0.5Ω感测电阻器，且VREFx引脚为2.5 V，则满标度（100%）斩波电流为2.5 V/（5×0.5Ω）=1 a。
参考电压也由内部DAC进行缩放，该DAC允许对双极步进电机的分步步步进行转矩控制，如微步进索引器中所述。
下料时间
在H桥中启用电流后，在启用电流检测电路之前，xISEN引脚上的电压会被忽略一段固定的时间。此消隐时间固定为3.75μs。请注意，消隐时间还设置了脉宽调制的最小开启时间。
微步索引器
DRV8821中内置的索引器逻辑允许许多不同的步进配置。xUSM1和xUSM0管脚用于配置步进格式，如下表所示：
下表显示了xUSM1和xUSM0的不同设置的相对电流和步进方向。在xSTEP输入的每个上升沿上，索引器都会移动到表中的下一个状态。方向显示为DIR引脚高；如果xDIR引脚低，则顺序相反。正电流定义为xOUT1=相对于xOUT2为正。
注意，初始状态是45度。此状态在通电、睡眠模式或应用xrestn时进入。
马达AB和马达CD独立工作，它们的索引器逻辑功能相同。
Xresten和xENBLn操作
当驱动激活低时，xrestn引脚将步进台复位到初始位置。它还禁用Hbridge驱动程序。当xrestn处于活动状态时，将忽略xSTEP输入。请注意，每个电机都有一个单独的xRESETn引脚；每个仅作用于两个电机控制器中的一个。
xENABLEn管脚用于控制输出驱动器。当xENBLn低时，输出H桥被启用。当xENBLn高时，H桥被禁用，输出处于高阻抗状态。。请注意，每个电机都有一个单独的xENBLn管脚；每个管脚仅作用于两个电机驱动器中的一个。
注意，当xENBLn为高时，输入管脚和控制逻辑，包括索引器（xSTEP和xDIR管脚）仍然正常工作。
同时驱动ABENBLn和CDENBLn高将使设备进入低功耗睡眠状态。在这种状态下，Hbridges被禁用，两个索引器被重置为home状态，栅极驱动电荷泵被停止，所有内部时钟被停止。在此状态下，所有输入都将被忽略，直到一个或两个xENBLn凹坑返回活动低点。
保护电路
DRV8821完全防止欠压、过流和过热事件。
过流保护（OCP）
DRV8821中的所有驱动器都受到OCP（过电流保护）电路的保护。
OCP电路包括模拟电流限制电路，当通过该电路的电流超过预设水平时，该电路通过从每个输出FET中移除栅极驱动来起作用。该电路将电流限制在一个安全的水平，以防止损坏场效应管。
数字电路监控模拟电流限制电路。如果任何模拟电流限制条件存在的时间超过预设时间，则设备中的所有驱动器都将被禁用。
在移除和重新应用虚拟机管脚上的电源后，设备将重新启用。
热停堆（TSD）
如果模具温度超过安全极限，设备中的所有驱动器都将关闭。
在模具温度降至安全水平之前，该设备将保持禁用状态。在温度下降后，在移除和重新应用VM pin上的电源时，可以重新启用设备。
欠压锁定（UVLO）
如果在任何时候虚拟机引脚上的电压低于欠压锁定阈值电压，设备中的所有电路都将被禁用。当VM上升到UVLO阈值以上时，操作将恢复。如果发生欠压锁定，索引器逻辑将重置为初始状态。
穿透电流预防
H桥中每个FET的栅极驱动是受控的，以防止在转换过程中发生任何交叉传导（穿透电流）。
设备功能模式
衰减模式
DRV8821支持两种不同的衰减模式：慢衰减或混合衰减。混合衰减模式在递增阶上使用慢衰减，在递减阶上使用混合衰减。混合衰减模式以快速衰减开始，但经过一段时间（75%的脉冲宽度调制周期），在固定脉冲宽度调制周期的剩余时间切换到慢速衰减模式。
在PWM电流斩波期间，H桥能够驱动电机绕组，直到达到PWM电流斩波阈值。这在图11中显示为案例1。图11中显示的电流方向表示正电流。
一旦达到斩波电流阈值，H桥可以在快衰减和慢衰减两种不同的状态下工作。
在快速衰减模式下，一旦达到PWM斩波电流水平，H桥就会反转状态，以允许绕组电流反向流动。当绕组电流接近零时，电桥被禁用以防止任何反向电流流动。快速衰减模式如例2所示，如图11所示。
在慢衰减模式下，通过启用电桥中的两个低侧FET，绕组电流重新循环。这在图11中显示为案例3。
DRV8821还支持混合衰减模式。混合衰减模式以快速衰减开始，但经过一段时间（75%的脉冲宽度调制周期）后，在固定脉冲宽度调制周期的剩余时间内切换到慢速衰减模式。
混合衰减模式仅在通过绕组的电流减小时激活（根据索引器步进表）；如果电流增大，则始终使用慢衰减。
慢衰变或混合衰变模式由xDECAY管脚的状态选择-逻辑低选择慢衰变，逻辑高选择混合衰变操作。
应用与实施
注意
以下应用程序部分中的信息不属于TI组件规范的一部分，TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定部件是否适合其用途。客户应验证和测试其设计实现，以确认系统功能。
申请信息
DRV8821可用于驱动两个双极步进电机。
典型应用
设计要求
表3显示了设计参数。
详细设计程序
步进电机速度
配置DRV8821的第一步需要所需的电机速度和步进水平。DRV8821支持从全步到1/8步的模式。如果目标马达转速过高，马达将无法旋转。确保马达能够支持目标速度。对于所需的马达转速（v）、微步进水平（nm）和马达全步进角（θ步进）。
θstep步进可以在步进电机数据表中找到，也可以经常写在电机上。
对于DRV8821，微步进级别由xUSM0/xUSM1引脚设置，可以是表1中的任何设置。更高的微步进意味着更平稳的电机运动和更少的可听噪声，但增加了开关损耗，需要更高的步进才能达到相同的电机速度。
电流调节
斩波电流（ICHOP）是通过任一绕组驱动的最大电流。此质量将取决于感测电阻值（RXISEN）。
ICHOP由比较器设置，比较器将穿过RXISEN的电压与参考电压进行比较。注意，ICHOP必须遵循方程式4，以避免电机饱和。
其中：
•VM是电机电源电压。
•RL是电机绕组电阻。
应用曲线
电源建议
体电容
适当的局部体积电容是电机驱动系统设计中的一个重要因素。总的来说，有更多的体积电容是有益的，而缺点是成本和物理尺寸的增加。
所需的局部电容量取决于多种因素，包括：
•电机系统所需的最高电流。
•电源的电容和供电能力。
•电源和电机系统之间的寄生电感量。
•可接受的电压纹波。
•所用电机类型（刷直流、无刷直流、步进电机）。
•电机断开方法。
电源和电机驱动系统之间的电感将限制电源所能改变的速率电流。如果局部体积电容太小，系统将响应过大的电流需求，或者随着电压的变化而从电机输出。当使用足够的大容量电容时，电机电压保持稳定，可快速提供大电流。
数据表通常提供推荐值，但需要进行系统级测试，以确定适当大小的散装电容器。
大容量电容器的额定电压应高于工作电压，以便在电机向电源传输能量时提供裕度。
布局
布局指南
应放置大容量电容器，以使通过电机驱动装置的大电流路径的距离最小。连接金属迹线宽度应尽可能宽，在连接PCB层时应使用许多过孔。这些做法尽量减少电感，并允许大容量电容器提供大电流。
小值电容器应该是陶瓷的，并且放置在靠近器件引脚的地方。
大电流设备输出应使用宽金属痕迹。
设备热垫应焊接到PCB顶层接地平面上。应使用多个过孔连接到大型底层地平面。使用大的金属平面和多个通孔有助于耗散设备中产生的I2×RDS（on）热量。
布局示例
热因素
DRV8821具有热关机（TSD），如热关机（TSD）所述。如果模具温度超过大约150°C，设备将被禁用，直到温度降至安全水平。
设备进入热关机状态的任何趋势都表明功率损耗过大、散热不足或环境温度过高。
功耗
DRV8821中的功耗主要由输出FET电阻或RDS（开）中的功耗决定。步进电机运行时的平均功耗可由方程式5粗略估计。
其中PTOT是总功耗，RDS（ON）是每个FET的电阻，IOUT（RMS）是施加到每个绕组的RMS输出电流。IOUT（RMS）约等于满标度输出电流设置的0.7倍。系数4来自于有两个电机绕组的事实，并且在任何时刻，两个FET为每个绕组（一个高侧和一个低侧）传导绕组电流。请记住，DRV8821有两个步进电机驱动器，因此必须将每个驱动器的功耗相加以确定设备的总功耗。
DRV8821中可耗散的最大功率取决于环境温度和散热。数据表中的散热额定值表可用于估算典型PCB结构的温升。
请注意，RDS（ON）随温度升高而增大，因此随着设备加热，功耗增加。在调整散热器大小时必须考虑到这一点。
散热
电源板™ 包装使用一个暴露的垫子来去除设备的热量。为了正常工作，该焊盘必须与印刷电路板上的铜热连接以散热。在带有接地平面的多层PCB上，这可以通过添加若干通孔来实现，以将热垫连接到接地平面。在没有内平面的PCB上，可以在PCB的任一侧添加铜区来散热。如果铜板区域位于设备PCB的另一侧，则热通孔用于在顶层和底层之间传递热量。
有关如何设计PCB的详细信息，请参阅TI application report，PowerPAD™ 热增强组件SLMA002和TI应用简介，PowerPAD™ 简单易用，SLMA004可在。
一般来说，可以提供的铜面积越多，可以消耗的功率就越多。图19显示了具有2盎司铜散热面积的单面印刷电路板和具有1盎司铜和实心接地平面的4层印刷电路板的热阻与铜平面面积的对比。两块多氯联苯的厚度分别为76毫米x 114毫米和1.6毫米。可以看出，散热片的有效面积迅速增加到约20平方厘米，然后在较大的面积上趋于平稳。
包装每侧中心的六个插脚也连接到设备接地。可以在连接到电源板的PCB上使用铜区™ 以及设备每侧的所有接地引脚。这对于单层PCB设计尤其有用。
包装材料信息
