探索TMC236B：高效步进电机驱动IC的卓越之选

在步进电机驱动领域，TMC236B这款集成电路凭借其丰富的功能和出色的性能，成为众多电子工程师的理想之选。今天，我们就来深入剖析TMC236B的特点、应用及设计要点。

文件下载：TMC236_datasheet_rev2.22.pdf

一、TMC236B概述

TMC236B是一款专为两相双极步进电机设计的驱动IC，采用HVCMOS技术，在多芯片封装中集成了八个独立的低RDSon高效沟槽MOSFET。它具备SPI或经典模拟接口，能提供高达1500mA的电流（在105°C时为1000mA），工作电压范围为7V - 36V DC，数字部分支持3.3V或5V供电。

（一）主要特性

1. 高性能电流控制：通过内部DAC实现微步进和智能电流控制，能有效降低驱动器和电机的温度，低功耗特性使其在对可靠性要求较高的驱动应用中表现出色。
2. 灵活的控制接口：支持SPI接口和经典模拟接口。SPI接口可用于写入控制信息、读取状态信息，还能直接设置电机线圈电流；经典模拟接口则通过模拟电流控制信号和数字相位信号实现对驱动器的控制。
3. 多种先进功能：如混合衰减模式可实现更平滑的电机运行；低噪声斩波器可使电机在高微步分辨率下无噪声运行；可编程斜率控制能降低电磁辐射；振荡器和时钟选择器可提供系统时钟。
4. 全面的保护和诊断功能：具备过压、过温、短路保护，以及过流、开路负载、两级过温诊断功能，能确保系统的稳定可靠运行。
5. 节能模式：提供待机和关机模式，可有效降低功耗。

（二）典型应用场景

TMC236B的应用十分广泛，可用于替代传统双极驱动IC，常见于办公自动化设备（如打印机、扫描仪）、ATM和现金循环机、POS系统、CCTV和安防设备、天线定位系统、泵和阀门控制、实验室自动化、液体处理以及医疗设备等领域。

二、控制接口解析

（一）SPI接口

SPI接口是一种位串行同步接口，用于向芯片写入控制信息并读取状态信息。使用SPI接口时，主设备向从设备发送一个12位命令字，同时从设备向主设备返回一个12位状态字。在低速时，SPI命令速率通常与微步速率对应；高速时，受CPU带宽限制，速率可能为10,000 - 100,000命令/秒，此时可能需要切换到全步分辨率。

通过SPI接口可设置每个微步的电流绝对值和极性，使电机实现微步驱动。同时，还能读取状态值和位，用于监测驱动器的工作状态。例如，在一些需要精确控制电机位置和速度的应用中，SPI接口能提供精准的控制和实时反馈。

（二）经典非SPI控制模式（独立模式）

在独立模式下，驱动器由模拟电流控制信号和数字相位信号控制。将SPE引脚连接到GND可启用此模式，此时SPI接口禁用，SPI输入引脚具有替代功能。内部DAC被强制设置为1111。这种模式适用于一些对控制接口要求不高、追求简单稳定的应用场景。

三、关键参数设置

（一）电流设置

1. 感测电阻选择：为了设置所需的电机电流，需要选择合适的感测电阻 (R{SENSE})。当线圈电流设置编程为1111时，可达到最大电机电流，使用内部参考或2V参考电压时，电流感测跳闸电压为0.34V（最高可达3V）。感测电阻的计算公式为 (R{SENSE} = V{TRIP} / I{max})，其中 (V{TRIP}) 是电流感测比较器的编程跳闸电压，(I{max}) 是所需的最大线圈电流。在不同的运行模式下，最大电机电流的计算方法有所不同，例如在全步模式下，最大电机电流由制造商指定；在微步模式下，最大电流 (I_{max}) 为全步模式值的1.41倍。 在选择感测电阻时，还需注意电阻的精度和温度系数，以确保电流设置的准确性和稳定性。同时，要考虑电阻的功率承受能力，避免因电流过大而导致电阻损坏。

2. 高端过流检测电阻 (R_{SH}) 选择：TMC236B通过检测VS（电源电压）和VT（阈值电压）之间的电压来检测接地过流。当两者之间的电压超过150mV时，认为发生过流。在选择高端过流检测电阻 (R{SH}) 时，应确保在两个线圈都吸取最大电流时，VS和VT之间的电压降不超过100mV。在微步应用中，(R{SH} = 0.1V / (1.41 × I{max}))；在全步应用中，(R{SH} = 0.1V / (2 × I_{max}))。如果需要更高的电阻值，可以使用10Ω - 100Ω范围内的分压器来设置VT。

（二）斩波器操作

TMC236B使用一个安静的固定频率斩波器来控制两个电机线圈的电流，两个线圈以180度的相移进行斩波。斩波器循环包括导通、快速衰减和慢速衰减三个阶段。

1. 混合衰减模式：混合衰减模式是一种自稳定系统，通过缩短快速衰减阶段来实现。在每个微步半波的后半部分，当电流减小时，可单独为每个线圈启用混合衰减模式，以减少电机共振。在高分辨率或低电感电机的应用中，应连续启用混合衰减模式，以降低可实现的最小电机电流，获得最平滑的电流波形。但在低速或静止时，应关闭混合衰减模式。
2. 斩波频率设置：PWM振荡器频率可通过外部电容设置，内部振荡器使用28kΩ电阻对外部电容进行充电和放电，使其达到2/3 VCC和1/3 VCC的跳闸电压。也可以使用外部CMOS电平方波信号来驱动。需要注意的是，不要将频率设置高于100kHz，也不要让OSC端子开路。一般来说，选择略高于可听范围的斩波频率即可满足大多数应用需求；当出现可听噪声时，应将斩波频率设置为可听范围的两倍，即至少36kHz。

四、保护功能与布局考虑

（一）保护功能

1. 过流保护：低侧过流检测通过低侧的电流感测电阻实现，当检测到电压超过0.61V时，PWM周期立即终止，桥接的所有晶体管在剩余的PWM周期内关闭。错误计数器达到3时，桥接将关闭63个PWM周期。高端过流检测则通过检测VS和VT之间的电压，当电压超过0.15V时，所有晶体管在剩余的PWM周期内关闭。清除过流错误标志可通过禁用并重新启用芯片来实现。
2. 过温保护：当出现过热情况时，电路会关闭所有输出功率晶体管。应监控过温标志以检测此情况，电路在冷却至温度阈值以下后将恢复运行。为了延长使用寿命，应避免在接近过温阈值的情况下运行。
3. 过压保护：电机从高速快速减速时，可能会有高能量反馈到电源，这可能会对TMC236B或其他电路造成危害。ENN引脚提供了一个固定的1/2 VCC阈值，可通过外部分压器实现简单的过压保护，最高可限制到40V。

（二）布局考虑

1. 热性能：为了确保良好的热性能，应将PQFP封装的每个双/四输出引脚的所有引脚外部连接，使用大面积的电机电流走线和多个过孔。同时，要保证所有电机输出的对称连接，使用大面积且相同尺寸的铜区域进行散热，以确保热保护功能正常工作。多层PCB具有更好的热性能，因为它可以使用大面积的GND平面作为散热器。此外，还可以直接在封装上安装散热器来提高散热效果。 除了上述提到的连接引脚、使用大面积走线和过孔、保证对称连接以及使用多层PCB和散热器等方法外，还可以通过合理规划元件布局，避免发热元件过于集中，以减少热量积聚。同时，优化散热通道，使热量能够更顺畅地散发出去。

2. 接地：应采用大面积的接地平面，将AGND和GND引脚连接到GND平面，并将两个感测电阻的接地端直接连接到GND平面。在无法实现GND平面的情况下，应单独路由高电流路径，以防止斩波电流流过系统的接地互连。

3. 元件选择：在电路板电源输入附近添加电源滤波电容，在TMC236B的电源连接附近添加小陶瓷电容。VS电源上的电解电容应选用低ESR类型。使用低电感感测电阻，或在每个电阻上并联一个陶瓷电容，以避免高电压尖峰。对于长电机电缆，可在SRA / SRB线路中引入额外的RC滤波，以防止尖峰触发短路保护或斩波比较器。

4. 电源顺序：上电时，驱动器会初始化并关闭所有桥接功率晶体管。VCC的最小供电电压为1.0V，VS的供电电压至少为5.0V。为避免功率级的寄生交叉导通，应使用与VS同时上电的VCC电源，或在VS之前升高VCC电压。

五、应用拓展与总结

（一）应用拓展

1. 扩展微步分辨率：对于一些需要更高微步分辨率的应用，可以通过选择性地将SRA / SRB引脚拉高一个小电压差来增加两个LSB。这种方法在保持串行接口控制优势的同时，提高了电机控制的精度。
2. 同步斩波时钟：在单电机驱动中，使用额外的移位寄存器将TMC236B的斩波时钟与相极性位的切换同步，可避免斩波时钟与步进序列之间的拍频，从而提高电机的最大转速。
3. 直流电机驱动：TMC236B和TMC246可以使用其两个线圈输出来驱动2个直流电机。但电流控制驱动模式不太适合电机速度控制，需要采用不同的反馈方式来实现速度控制。

（二）总结

TMC236B作为一款高性能的步进电机驱动IC，凭借其丰富的功能、灵活的控制接口、全面的保护功能和良好的热性能，为电子工程师在步进电机控制设计中提供了强大的支持。在实际应用中，工程师们需要根据具体的需求和场景，合理设置参数、优化布局，以充分发挥TMC236B的优势，实现高效、稳定、可靠的电机驱动系统。大家在使用TMC236B的过程中，有没有遇到过一些特别的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享交流。