德州仪器DRV8436步进电机驱动器：特性、应用与设计深度解析

在当今的工业和消费电子领域，步进电机的应用无处不在，从打印机到机器人，都离不开高效稳定的电机驱动解决方案。德州仪器（TI）的DRV8436步进电机驱动器，凭借其丰富的特性和出色的性能，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入探讨一下DRV8436的方方面面。

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一、DRV8436特性亮点

1. 集成电流感应功能

DRV8436采用集成电流感应架构，无需外部功率检测电阻。这不仅节省了PCB面积和系统成本，还通过电流镜方法和内部功率MOSFET进行电流感应，减少了检测电阻上的功率损耗。电流调节设定点由VREF引脚电压调整，降低了外部组件成本、PCB尺寸和系统功耗。

2. 智能调谐衰减技术

提供智能调谐衰减技术，包括智能调谐动态衰减和智能调谐纹波控制两种模式。这些模式能自动调整衰减模式，以实现最佳电流调节性能，补偿电机变化和老化影响，减少电机绕组电流失真。

3. 宽工作电压范围

支持4.5至48V的工作电源电压范围，适用于多种不同的应用场景。

4. 高电流容量与低导通电阻

每桥具有2.4A峰值、1.5A满量程和1.1A rms的高电流容量。在24V、25°C条件下，低(R_{DS(ON)})为900mΩ（HS + LS），有助于降低功耗。

5. 可配置关断时间PWM斩波

支持7μs、16μs、24μs或32μs的可配置关断时间PWM斩波，满足不同应用需求。

6. 多种保护功能

具备VM欠压锁定（UVLO）、电荷泵欠压（CPUV）、过流保护（OCP）、热关断（OTSD）和故障状态输出（nFAULT）等保护功能，提高了系统的可靠性。

二、应用领域广泛

DRV8436适用于多种应用场景，如多用途打印机和扫描仪、3D打印机和激光束打印机、自动柜员机和货币处理机、纺织和缝纫机、舞台照明设备、CCTV、安全和球型摄像机、办公和家庭自动化以及工厂自动化和机器人等。

三、详细功能剖析

1. 步进电机驱动电流评级

• 峰值电流评级：由过流保护跳闸阈值(I_{OCP})限制，DRV8436每桥的峰值电流评级为2.4A。
• rms电流评级：由IC的热考虑因素决定，在典型系统中，25°C时每桥的rms电流评级为1.1A。
• 满量程电流评级：描述微步进时正弦电流波形的顶部，约为(sqrt{2} × I_{RMS})，DRV8436每桥的满量程电流评级为1.5A。

2. PWM电机驱动器

集成两个全H桥驱动器，用于驱动双极步进电机的两个绕组。

3. 微步进索引器

内置索引器逻辑支持多种步进模式，通过M0和M1引脚配置，可实现全步、半步、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128和1/256微步进。此外，还提供非圆形半步模式，可在较高电机RPM时增加扭矩输出。

4. 电流调节与衰减模式

• 电流调节：通过可调关断时间PWM电流调节电路调节电机绕组电流。PWM调节电流由比较器监控，满量程调节电流(I{FS})可通过(I{FS}(A)=V{REF}(V) / K{V}(V / A))计算。
• 衰减模式：支持六种不同的衰减模式，包括慢衰减、混合衰减、智能调谐动态衰减和智能调谐纹波控制。可通过DECAY0和DECAY1引脚选择，且可在运行中更改。

5. 保护电路

• VM欠压锁定（UVLO）：当VM引脚电压低于UVLO阈值时，所有输出禁用，nFAULT引脚拉低。
• VCP欠压锁定（CPUV）：当VCP引脚电压低于CPUV电压时，所有输出禁用，nFAULT引脚拉低。
• 过流保护（OCP）：通过模拟电流限制电路限制FET电流，若电流限制持续时间超过(t_{OCP})，则相应H桥的FET禁用，nFAULT引脚拉低。支持锁存关断和自动重试两种模式。
• 热关断（OTSD）：当芯片温度超过热关断极限时，H桥中的所有MOSFET禁用，nFAULT引脚拉低。

四、典型应用设计

1. 设计要求

在系统设计中，需要考虑一些设计输入参数，如电源电压、电机绕组电阻、电感、电机全步角、目标微步进水平、目标电机速度和目标满量程电流等。

2. 详细设计步骤

• 步进电机速度计算：根据所需电机速度、微步进水平和电机全步角，使用公式(f{step}(steps / s)=frac{v(rpm) × 360^{circ} / rot}{theta{step}(% / step ) × n_{m}( steps / microstep ) × 60( s / min)})计算STEP引脚所需的方波频率。
• 电流调节：全量程电流(I{FS})取决于VREF电压，且需满足(I{FS}(A){L}(Omega)+2 × R{DS(ON)}(Omega)})，以避免电机饱和。
• 衰减模式选择：根据实际应用需求，从六种衰减模式中选择合适的模式。

五、热应用与布局注意事项

1. 功率耗散计算

总功率耗散由传导损耗、开关损耗和静态电流消耗的功率损耗三部分组成。

• 传导损耗：(P{COND}=2 × (I{RMS})^{2} × (R{DS(ONH)}+R{DS(ONL)}))
• 开关损耗：(P{SW}=2 × (P{SWRISE}+P{SW_FALL}))
• 静态电流功率损耗：(P{Q}=V{VM} × I_{VM})

2. 结温估计

根据环境温度和总功率耗散，使用公式(T{J}=T{A}+(P{TOT} × R{theta JA}))计算结温。

3. 布局指南

• VM引脚应使用低ESR陶瓷旁路电容旁路到GND，并使用大容量电容。
• CPL和CPH引脚之间、VM和VCP引脚之间应放置低ESR陶瓷电容。
• DVDD引脚应使用低ESR陶瓷电容旁路到地。
• 热PAD必须连接到系统地。

六、总结

DRV8436步进电机驱动器以其集成度高、性能优越、保护功能完善等特点，为双极步进电机控制提供了可靠的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择参数和衰减模式，同时注意热管理和布局设计，以确保系统的稳定运行。你在使用步进电机驱动器时遇到过哪些挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。