深入解析 onsemi NCV70514 微步进电机驱动器

在电子工程师的日常工作中，电机驱动器是一个至关重要的组件，它直接影响着电机的性能和稳定性。今天，我们将深入探讨 onsemi 推出的 NCV70514 微步进电机驱动器，它专为双极步进电机设计，具有诸多出色的特性和功能，适用于多种领域。

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一、产品概述

NCV70514 是一款用于双极步进电机的微步进驱动器。它通过 I/O 引脚和 SPI 接口与外部微控制器相连，内部包含电流转换表，可根据“NXT”输入引脚的时钟信号以及“DIR”寄存器或输入引脚的状态来进行下一步的微步进操作。此外，该芯片还具备故障检测功能，当检测到失速、电气错误、欠压或结温升高时，会提供错误信息。它采用了专有的 PWM 算法，以实现可靠的电流控制。

二、产品特性

2.1 驱动能力与电流控制

• 双 H 桥设计：专为两相步进电机设计的双 H 桥，能够提供稳定的驱动能力。
• 可编程峰值电流：峰值电流最高可达 800 mA，并且具有低温升压电流功能（仅适用于 NCV70514MW007 设备），可以根据实际需求灵活调整电流大小。
• 片上电流转换器：集成了电流转换器，能够精确地控制电机电流，提高电机的运行精度。

2.2 保护与管理功能

• 复位功能：具备复位功能，可在需要时对驱动器进行复位操作，确保系统的稳定性。
• 过流保护：能够实时监测电流，当电流超过设定值时，自动采取保护措施，防止驱动器损坏。
• 增强型欠压管理：具有三个欠压阈值水平，每个阈值都有相应的标志位，可通过 SPI 读取，并能在特定条件下触发中断，通知微控制器采取相应的措施。
• 热警告与关断：当结温超过热警告温度 (T{tw}) 时，会设置热警告位并拉低 ERRB 引脚；当结温超过热关断温度 (T{tsd}) 时，会设置热关断标志位，拉低 ERRB 引脚，同时禁用电机，确保驱动器在安全的温度范围内工作。

2.3 步进模式与控制

• 7 种步进模式：支持从全步到 32 微步的 7 种步进模式，可通过 SPI 位 SM[2:0] 和引脚 STEP0、STEP1 进行选择，满足不同应用场景的需求。
• SPI 接口与菊花链功能：采用 SPI 接口进行通信，支持菊花链连接，方便多个驱动器的级联，减少布线复杂度。

2.4 其他特性

• 全输出保护与诊断：具备全面的输出保护和诊断功能，能够检测开路和短路等故障，并通过相应的标志位通知微控制器。
• 与 3.3 V 微控制器兼容：能够与 3.3 V 微控制器配合使用，输入引脚具有 5 V 容差，输出引脚为 5 V 容差的开漏输出，提高了系统的兼容性。

三、电气特性

3.1 DC 参数

DC 参数在结温 -40 至 145°C 和 VBB 工作范围 6 至 29 V 内得到保证。例如，电机驱动器的最大峰值电流在正常运行时为 800 mA，逻辑输入的高低电平也有明确的规定，如 NXT、DIR 等引脚的逻辑低输入电平最大为 0.8 V，逻辑高输入电平最小为 2.4 V。

3.2 AC 参数

AC 参数同样在特定的结温和 VBB 范围内得到保证。内部振荡器的频率在 VBB = 14 V 时为 7.2 - 8.8 MHz，PWM 频率为 20.5 - 25.1 kHz。此外，还规定了电机驱动器的开启和关闭瞬态时间、数字输出的下降时间等参数。

四、详细操作说明

4.1 H 桥驱动器与 PWM 控制

NCV70514 集成了两个 H 桥来驱动双极步进电机，每个 H 桥由两个低侧 N 型 MOSFET 开关和两个高侧 P 型 MOSFET 开关组成。每个 H 桥都有一个片上电流传感的 PWM 电流控制回路，通过比较实际绕组电流和请求电流，生成 PWM 信号来控制 H 桥开关的通断。为了避免大电流通过 H 桥开关，保证同一半桥的上下开关不会同时导通。同时，为了减少辐射/传导发射，在输出开关中实现了电压斜率控制。

4.2 电机启用与禁用

可以通过 SPI 控制寄存器中的 位来启用或禁用 H 桥和 PWM 控制。当 = 0 时，仅禁用驱动器，不影响 NXT、DIR、RHB、SPI 总线等功能；当 = 1 时，H 桥恢复正常的 PWM 操作。

4.3 自动正向和快慢衰减

PWM 生成在稳态时采用正向和慢衰减的组合，当需要过渡到较低电流水平时，会自动激活快衰减，以实现高速响应。这种衰减模式的选择对用户完全透明，无需额外的参数设置。

4.4 PWM 占空比测量与自适应

对两个电机绕组的实际 PWM 占空比进行测量，并存储在两个状态寄存器中。如果在调节过程中，设定点电流在 (t_{pwm}) 的 75% 之前未达到，PWM 的占空比会自动调整到 > 50%，以维持线圈中的请求平均电流。

4.5 步进转换器

步进转换器通过 SPI 寄存器的步进模式 SM[2:0]、SPI 位 DIRP、RHBP 和输入引脚 STEP0、STEP1、DIR、RHB 和 NXT 来控制电机。可以选择 7 种步进模式之一，在不同的步进模式下，电机的电流输出会根据相应的转换表进行调整。

4.6 方向控制

通过输入引脚 DIR 和其“极性位” 来选择电机的旋转方向，极性位 允许仅通过 SPI 命令来改变旋转方向。

4.7 下一个微步进触发

NXT 输入引脚的正边沿或 SPI 输入寄存器中的“NXT 按钮” 的激活会使电机电流在转换表中向上或向下移动一步。为了确保 NXT 引脚和 SPI 命令都能独立生效，需要遵守非重叠区域的要求。

4.8 IRUN、IHOLD 和“运行/不保持”模式

通过 RHB 输入引脚和其“极性位” 可以在“运行模式”和“保持模式”之间切换驱动器。在“运行模式”下，电流转换表根据“NXT & DIR”命令进行步进，电机电流的幅值由 SPI 控制寄存器 设置；在“保持模式”下，NXT & DIR 无效，电机电流的幅值由 SPI 控制寄存器 设置。

4.9 欠压检测

NCV70514 具有三个欠压阈值水平，每个阈值都有相应的标志位，可通过 SPI 读取，并能在特定条件下触发中断。当电源电压 VBB 下降到特定的欠压水平以下时，会执行相应的操作，如拉低 ERRB 引脚、停止执行 NXT 脉冲并计数等。

4.10 失速和运动检测

运动检测基于电机运行时产生的反电动势（BEMF）。当电机被阻塞时，BEMF 会发生变化，NCV70514 会在电流过零阶段测量 BEMF，并将其转换为 5 位字 。通过与 寄存器中的阈值进行比较，可以检测失速情况。此外，还可以检测保持模式下的不受控运动。

五、故障检测与诊断反馈

5.1 开路和短路诊断

NCV70514 具有增强的诊断检测和反馈功能，可检测开路和短路故障。有两种诊断模式：自动诊断和用户诊断。自动诊断在每次上电或启用 H 桥时执行，使用内部上拉和下拉电阻来测试引脚连接；用户诊断在正常模式下连续检查错误，根据 PWM 占空比和负载电流来判断开路和短路情况。

5.2 热警告和关断

当结温超过 (T{tw}) 时，会设置热警告位并拉低 ERRB 引脚；当结温超过 (T{tsd}) 时，会设置热关断标志位，拉低 ERRB 引脚，同时禁用电机。只有当 ( = = 0) 时，才能再次启用电机。

5.3 SPI 帧错误

SPI 传输会持续监测输入数据位的数量，如果在一帧数据中，SPI CLK 高电平转换的数量不等于 16 的倍数，则会设置 SPI 错误位并拉低 ERRB 引脚。

5.4 错误输出

ERRB 是一个开漏输出，用于向外部微控制器标记问题。其信号为低电平有效，逻辑组合包含了多种故障情况。

5.5 睡眠模式

电机驱动器可以进入低功耗睡眠模式，通过 SPI 位 激活。在睡眠模式下，所有模拟电路暂停，数字时钟停止，SPI 通信不可用。只有 CSB 引脚可以唤醒芯片，唤醒后需要一定的时间来恢复模拟和数字时钟。

5.6 上电复位和硬复位功能

上电或硬复位后，SPI 状态寄存器中的

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标志位会被设置，ERRB 引脚会被拉低。通过 DIR 引脚的特定模式或 位可以实现硬复位功能。

六、SPI 接口

6.1 接口概述

SPI 接口用于外部微控制器与 NCV70514 进行通信，NCV70514 作为从设备，不能发起传输。通过 SPI 寄存器可以配置和控制设备的操作，传输大小为 16 位。

6.2 传输格式和引脚信号

SPI 命令由一个“地址字节”和一个“数据字节”组成，可分为写控制寄存器、读控制寄存器和读状态寄存器三种类型。响应总是 2 字节长，不同的 DI/DO 组合有不同的用途。

6.3 控制寄存器和状态寄存器

SPI 控制寄存器具有读写访问权限，用于设置各种参数，如方向极性、步进模式、失速阈值等；SPI 状态寄存器具有只读访问权限，包含了各种故障标志和状态信息。

七、多轴控制应用示例

NCV70514 支持多轴控制，通过将多个从设备连接到一个微控制器，可以实现电机运动的同步控制。可以通过减少 I/O 连接，如不连接 ERRB 引脚，或仅使用 4 个 SPI 连接，甚至避免使用 NXT 引脚，来简化布线。

八、电磁兼容性和 PCB 布局建议

8.1 电磁兼容性

NCV70514 在设计时采用了先进的 EMC 技术，但系统的整体 EMC 性能还受到多个方面的影响。对于长布线的电机和电感器，建议使用双绞线和/或屏蔽电缆来减少辐射传输。

8.2 PCB 布局建议

VDD 电容 C4 应靠近设备放置，并直接连接到设备的 GND，而不是公共 GND，以确保最佳的 EMC 性能。

九、订购信息

提供了不同型号的订购信息，包括标记、峰值电流、升压峰值电流、终端市场/版本、封装和运输方式等。需要注意的是，部分设备已停产，不建议用于新设计。

综上所述，onsemi 的 NCV70514 微步进电机驱动器是一款功能强大、性能稳定的产品，适用于汽车、工业、医疗和海洋等多种领域。在实际应用中，电子工程师需要根据具体需求合理配置参数，注意电磁兼容性和 PCB 布局，以充分发挥该驱动器的优势。你在使用类似的电机驱动器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。