安森美半導體用於辦公自動化裝置應用的高能效步進馬達驅動器方案
馬達的應用非常廣泛，遍及人們工作及生活的各個領域，如印表機、影印機、傳真機、投影機、電冰箱、洗衣機、空調、瓦斯爐、照相機、ATM、電動縫紉機、保全攝影機、自動販賣機、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，高能效的驅動馬達顯得尤為重要。從類型上看，馬達包括交流馬達、直流有刷馬達、直流無刷馬達、永磁同步馬達、伺服馬達和步進馬達等。其中，步進馬達採用脈波工作，也稱作數位馬達或脈波馬達。步進馬達的旋轉角與脈波數量成正比，速度則與脈波頻率成正比，可通過控制脈波數量來精確控制步進馬達的旋轉，使其非常適合於定位應用。本文將探討步進馬達驅動的常見挑戰，並重點介紹安森美半導體針對辦公自動化裝置應用的高能效步進馬達驅動器方案。
步進馬達驅動應用的常見挑戰
馬達驅動器能用於多種不同的應用。設計工程師在設計中使用馬達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馬達驅動應用及相關馬達驅動IC和元件提供低能耗和高能效。例如，如果風扇驅動器電路板位於密封殼體內部，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，以減少熱量並管理散熱。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馬達。
圖1. 馬達驅動器應用示例及其常見挑戰。
其次，從終端用戶角度來講，極需要降低馬達產生的雜訊，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雜訊或振動。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雜訊的馬達更受偏好，但這在嘗試補償其他設計要求時並不總是具有可能性。
值得注意的是，由於要求高壓電源來驅動白家電及工業等應用，馬達及馬達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馬達。
永磁型和混合型步進馬達的工作原理
步進馬達常用於精密控制應用，並採用像微步進的技術來減輕馬達振動。圖2顯示了永磁型步進馬達及混合型步進馬達的工作原理圖解。步進馬達以數位脈波形式工作，通常稱作同步馬達或脈波馬達。步進馬達通過導通及關閉MOSFET來控制轉動。
圖2. 永磁型及混合型步進馬達的工作原理。
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。轉角與脈波數量成正比，轉速與脈波的頻率成正比。您可以藉控制脈波數量來精密地控制轉子位置，使其適合於定位。
用於辦公自動化裝置應用的步進馬達及驅動器產品
如前所述，步進馬達的應用非常廣泛，如在ATM自動櫃員機中用於進鈔控制及存摺捲入等功能，又如在自動販賣機中用於貨品移動，以及在老虎機中用於輪盤旋轉等。本文討論的重點是針對辦公自動化應用的步進馬達及驅動器，典型產品有如印表機及掃描器。通常情况下，進纸、纸托盤及掃描等功能可能使用到步進馬達，用於位置控制。
圖3：步進馬達及驅動器在常見辦公自動化裝置中的應用示例。
如圖3所示，步進馬達精確地將紙從A點移到B點。如果終端用戶的首要要求是靜音驅動，那麼就適宜採用低振動的微步步進馬達。在這類應用中，步進馬達及直流無刷馬達用於將墨帶壓到紙上。要求採用步進馬達來在需要定位的地方調節墨帶對紙的壓力。而在桌面式掃描器等裝置中，設計人員選擇具備定位功能、低振動及馬達旋轉控制範圍的馬達
推動高能效創新的安森美半導體提供寬廣陣容的馬達驅動器產品，用於各種典型馬達應用。表1列出的僅是安森美半導體用於印表機等應用的馬達驅動器產品(除了步進馬達，也包含無刷直流馬達及直流有刷馬達)，供設計人員造型參考。
表1：安森美半導體用於印表機等常見辦公自動化裝置的馬達驅動器產品概覽。
LV8702高能效步進馬達驅動器的特性、優勢及應用示例
目前，多種電子產品中使用的步進馬達能效較低，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高能效步進馬達驅動IC克服這些挑戰，提供獨特的驅動系統，幫助節省馬達的空載能耗，且提供多重應用優勢。
LV8702的供電電壓VM範圍為9至32 V，最大支持36 V；輸出電流為2.5 A，並支持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馬達。LV8702內置高能效模式、失步檢測功能及輸出短路保護功能，幫助降低馬達驅動能耗，減少發熱量，減輕振動及雜訊，並提供高可靠性。LV8702的典型應用包括影印機、掃描器、多功能印表機等辦公自動化裝置，以及縫紉機等工為裝置和老虎機等娛樂裝置。
圖4. 安森美半導體LV8702高能效步進馬達驅動IC應用演示裝置。
為了彰顯LV8702步進馬達驅動器的應用優勢，安森美半導體構建了如圖4所示的演示裝置。我們首先導通馬達開關。此開關啟用LV8702馬達驅動器IC以顯示其效用。隨著馬達開始運行，我們來測量馬達電流波形。然後，在保持馬達驅動的同時，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馬達驅動器驅動電流，右側顯示的則是導通高能效開關後的情況，可見驅動電流明顯降低，表示能耗更低。
圖5. LV8702可通過GAD接脚設計提供高能效驅動模式，幫助減小平均電流並降低能耗。
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及馬達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，通過比較馬達VM電流，還可以發現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裝置，並符合世界各地對提升能效的需求。
圖6. 通過比較馬達VM電流可以發現LV8702能夠大幅節省馬達的能耗。
LV8702內置電荷泵電路，用於驅動高邊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，能夠幫助減輕馬達振動進而降低雜訊。這元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：
對於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馬達的能效，降低其能耗，並提供可靠性。安森美半導體因應這些需求，提供寬廣陣容的高能效馬達驅動器產品。本文重點步進馬達驅動的常見挑戰及其工作原理，概覽了安森美半導體用於步進馬達驅動的產品系列，重點介紹了安森美半導體LV8702高能效步進馬達驅動器的特性，並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裝置馬達驅動應用，在市場競爭中佔據有利位置。
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