|
電機的應用非常廣泛，遍及人們工作及生活的各個領域，如打印機、復印機、傳真機、投影儀、電冰箱、洗衣機、空調、燃氣灶、照相機、ATM機、電動縫紉機、保安攝像機、自動售貨機、熱水供應系統、園林灌溉系統及工業自動化等。 在節能越來越受重視的當今，高能效的驅動電機顯得尤為重要。從類型上看，電機包括交流電機、直流有刷電機、直流無刷電機、永磁同步電機、伺服電機和步進電機等。其中，步進電機采用脈沖工作，也稱作數字電機或脈沖電機。步進電機的旋轉角與脈沖數量成正比，速度則與脈沖頻率成正比，可通過控制脈沖數量來精確控制步進電機的旋轉，使其非常適合于定位應用。本文將探討步進電機驅動的常見挑戰，并重點介紹安森美半導體針對辦公自動化設備應用的高能效步進電機驅動器方案。 步進電機驅動應用的常見挑戰 電機驅動器能用于多種不同的應用。設計工程師在設計中使用電機驅動器時面對一些共通的挑戰。首先，當今的大多數設計都要求電機驅動應用及相關電機驅動IC和元件提供低能耗和高能效。例如，在如果風扇驅動器電路板位于密封殼體內部，就會產生熱量，要求額外的能耗來將它冷卻。因此，就需要使用內置風扇在內部環流冷風，以減少熱量并管理散熱。故工程師可能會要求低功率損耗，同時還要求強大、具備高能效冷卻功能的電機。 
圖1. 電機驅動器應用示例及其常見挑戰。 其次，從終端用戶角度來講，極需要降低電機產生的噪聲，以避免造成不適的感覺。設計人員還必須能夠補償系統中的任何外部噪聲或振動。再次，無論是因為居住空間有限或是用戶偏好，消費者對緊湊型方案的需求高是一項普通的消費趨勢。這趨勢導致更小尺寸及低噪聲的電機更受偏好，但這在嘗試補償其它設計要求時并不總是具有可能性。 值得注意的是，由于要求高壓電源來驅動白家電及工業等應用，電機及電機驅動器的耐用性及安全性至關重要。更不用說工程師需要選擇能夠精確控制速度的可靠電機。 永磁型和混合型步進電機的工作原理 步進電機常用于精密控制應用，并采用像微步進的技術來減輕電機振動。圖2顯示了永磁型步進電機及混合型步進電機的工作原理圖解。步進電機以數字脈沖形式工作，通常稱作同步電機或脈沖電機。步進電機通過導通及關閉MOSFET來控制轉動。
圖2. 永磁型及混合型步進電機的工作原理。 以圖2左側為例，當電流流過MOSFET開關OUT1和OUT2時，永磁轉子的位置如左圖所示。控制OUT1、2、3及4的電流，就可以控制轉子位置。轉角與脈沖數量成正比，轉速與脈沖的頻率成正比。您可以藉控制脈沖數量來精密地控制轉子位置，使其適合于定位。 用于辦公自動化設備應用的步進電機及驅動器產品 如前所述，步進電機的應用非常廣泛，如在ATM自動柜員機中用于進鈔控制及存折卷入等功能，又如在自動售賣機中用于貨品移動，以及在老虎機中用于輪盤旋轉等。本文討論的重點是針對辦公自動化應用的步進電機及驅動器，典型產品有如打印機及掃描儀。通常情況下，進紙、紙托盤及掃描等功能可能使用到步進電機，用于位置控制。
圖3：步進電機及驅動器在常見辦公自動化設備中的應用示例。 如圖3所示，步進電機精確地將紙從A點移到B點。如果終端用戶的首要要求是靜音驅動，那么就適宜采用低振動的微步步進電機。在這類應用中，步進電機及直流無刷電機用于將墨帶壓到紙上。要求采用步進電機來在需要定位的地方調節墨帶對紙的壓力。而在臺式掃描儀等設備中，設計人員選擇具備定位功能、低振動及電機旋轉控制范圍的電機 推動高能效創新的安森美半導體提供寬廣陣容的電機驅動器產品，用于各種典型電機應用。表1列出的僅是安森美半導體用于打印機等應用的電機驅動器產品(除了步進電機，也包含無刷直流電機及直流有刷電機)，供設計人員造型參考。 表1：安森美半導體用于打印機等常見辦公自動化設備的電機驅動器產品概覽。
LV8702高能效步進電機驅動器的特性、優勢及應用示例 目前，多種電子產品中使用的步進電機能效較低，成為業界關注的一項焦點，也為電源系統設計工程師帶來了挑戰。安森美半導體推出的LV8702高能效步進電機驅動IC克服這些挑戰，提供獨特的驅動系統，幫助節省電機的空載能耗，且提供多重應用優勢。 LV8702的供電電壓VM范圍為9至32 V，最大支持36 V；輸出電流為2.5 A，并支持3 A的峰值電流。這器件的輸出導通阻抗僅為0.55 Ω，幫助高能效驅動步進電機。LV8702內置高能效模式、失步檢測功能及輸出短路保護功能，幫助降低電機驅動能耗，減少發熱量，減輕振動及噪聲，并提供高可靠性。LV8702的典型應用包括復印機、文檔掃描儀、多功能打印機等辦公自動化設備，以及縫紉機等工為設備和老虎機等娛樂設備。
圖4. 安森美半導體LV8702高能效步進電機驅動IC應用演示裝置。 為了彰顯LV8702步進電機驅動器的應用優勢，安森美半導體構建了如圖4所示的演示裝置。我們首先導通電機開關。此開關啟用LV8702電機驅動器IC以顯示其效用。隨著電機開始運行，我們來測量電機電流波形。然后，在保持電機驅動的同時，我們導通高能效開關。電流波形測試結果如圖5所示。左側顯示了高能效開關未啟用時的電機驅動器驅動電流，右側顯示的則是導通高能效開關后的情況，可見驅動電流明顯降低，表示能耗更低。
圖5. LV8702可通過GAD引腳設計提供高能效驅動模式，幫助減小平均電流并降低能耗。 LV8702高能效模式減小了平均電流，進而也減少產生的熱量。IC表面溫度測試顯示，高能效開關啟用的情況下，驅動器IC及電機表面溫度分別下降了46℃和28℃。這功能有潛力在某些應用中省去冷卻風扇，節省空間及成本，還增強系統可靠性。此外，通過比較電機VM電流，還以發現LV8702能夠節省能耗高達80%(見圖6)。設計人員能夠利用LV8702開發高能效的辦公自動化設備，并符合世界各地對提升能效的需求。
圖6. 通過比較電機VM電流可以發現LV8702能夠大幅節省電機的能耗。 LV8702內置電荷泵電路，用于驅動高邊N溝道MOSFET。LV8702支持4種微步模式，包括滿步、半步(滿轉矩)、半步及1/4步等，能夠幫助減輕電機振動進而降低噪聲。這器件內置輸出短路保護功能，針對輸出對電源短路、輸出對地短路及負載短路等狀況提供保護。 總結： 對于當今的電源系統設計人員而言，要符合世界各地的能效法規及終端用戶對節能的更高需求，不僅要提升電源的能效、改善功率因數及降低輕載和待機能耗，還要提升當今電子產品中廣泛使用的電機的能效，降低其能耗，并提供可靠性。安森美半導體因應這些需求，提供寬廣陣容的高能效電機驅動器產品。本文重點步進電機驅動的常見挑戰及其工作原理，概覽了安森美半導體用于步進電機驅動的產品系列，重點介紹了安森美半導體LV8702高能效步進電機驅動器的特性，并結合演示裝置的測試結果，介紹了其應用優勢，旨在幫助設計人員利用這系列IC開發高能效的辦公自動化設備電機驅動應用，在市場競爭中占據有利位置。 供稿：安森美半導體 |
