Performance-Optimierung durch den Einsatz der geeigneten Treibertechnik

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ROHM Semiconductor GmbH

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

FAULHABER Antriebssysteme

Betrachtungen zur Auswahl des Schrittmotor-Treibers

Man kann Schrittmotor-Treiber im Prinzip als eine Sonderform von Power-Management-Lösung betrachten, ähnlich wie es ein LED-Treiber im Bereich Solid State Lighting ist. Somit bilden Schrittmotor-Treiber ein wichtiges Element im Power-Management-IC-Portfolio. Mikroschrittmotoren stellen den neuesten Vorstoß zur Steigerung der Leistungsfähigkeit dar und stehen im Mittelpunkt der F&E-Anstrengungen der Industrie. Die drei entscheidenden Designaspekte sind dabei Technologie, Sicherheit und Wartung.

Die Technologie-Roadmap von ROHM für Schrittmotor-Treiber sieht die fortlaufende Verfeinerung der etablierten High-Density-BCD-Technologie (Bipolar + CMOS + DMOS) des Unternehmens und den Einsatz der High-Density-BCD-Technologie für die neuesten Schrittmotor-Treiber vor. Im Verbund mit effizienter DMOS-Leistungstechnologie erlauben diese Mixed-Signal-Prozesse die Kombination von Logikschnittstellen und effizienter Leistungsregelung zur Realisierung fortschrittlicher Topologien in einem monolithischen Design. Verbesserungen an der Prozesstechnologie führen zu immer niedrigeren On-Widerständen pro Flächeneinheit und immer geringeren Sättigungsspannungen, sodass von einer Generation zur nächsten immer effizientere Halbleiterdesigns möglich werden.

Einen hohen Stellenwert bei der Produktentwicklung sollte die Abwärtskompatibilität haben. Wenn in einer bestimmten Produktserie Gehäuse mit einheitlichen Formaten und Anschlussbelegungen eingesetzt werden, vereinfacht dies den Umstieg von einem Treiber zum anderen innerhalb der Serie und vermeidet damit kosten- und zeitaufwändige Änderungen an der Leiterplatte. Eine Metallplatte an der Gehäuseunterseite direkt unterhalb des Halbleiterchips im Verbund mit effizienterem Halbleiterdesign und Pulsweitenmodulation (PWM) sorgt dafür, dass insgesamt weniger Wärme anfällt und dass diese Wärme zudem effizienter an die Umgebung abgeleitet werden kann. Ein Beispiel für die Weiterentwicklung auf dem Gehäusesektor ist die Abkehr vom Gehäusetyp HSOP-M28 mit Maßen von 9,9 mm x 18,5 mm x 2,2 mm und der Eignung für 2,2 W Verlustleistung. An die Stelle dieses Gehäuses tritt die deutlich kleinere Bauform HTSSOP-B24 mit einer Größe von 7,8 x 7,8 x 1,0 mm, die in Verbindung mit dem entsprechenden Leiterplatten-Layout für bis zu 4,0 W geeignet ist. Neben zusätzlichen Schutz- und Sicherheitsschaltungen gehören zu den besonderen Design-Features die unipolare Stromversorgung, die GSP-Funktion (Ghost Supply Prevention), der Mixed-Decay-Modus und die Verwendung von High-Side-Schaltern in P-Kanal-DMOS-Technik. ROHM hat die Ausgangsstufe mit einem zusätzlichen Schutz und die internen Schaltungen des Schrittmotor-Treibers mit einem wirksamen Schutz vor elektrostatischen Entladungen versehen. Mit dieser gesteigerten Robustheit werden die häufigsten Ausfallursachen eingedämmt oder sogar eliminiert.

Die Schrittmotor-Treiber sind für hohe Beständigkeit gegen elektrostatische Entladungen (Electrostatic Discharge; ESD) ausgelegt, nämlich für 4000 V nach dem Human Body Model (HBM), einige Produkte sogar bis 8000 V bzw. für 400 V nach dem Machine Model (MM). Damit werden die Anforderungen der meisten Applikationen bei weitem übertroffen. Der Überstromschutz, der in herkömmlichen Power-Management-Lösungen wie zum Beispiel Schaltnetzteilen und Linearreglern ein gängiges Feature ist, gehört nunmehr auch zur Standardausstattung. Zum standardmäßigen Funktionsangebot vieler Schrittmotor-Treiber zählt mittlerweile auch ein Kurzschlussschutz für die IC-Pins. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass Probleme durch Kurzschlüsse zwischen benachbarten Pins vermieden werden.

Der selbsthaltende Überstromschutz (Overcurrent Protection – OCP) in Bild 2 gewährt einen sofortigen und zuverlässigeren Schutz als eine Schmelzsicherung, da die Ansprechverzögerung wegfällt. Wenn eine Überstromsituation andauert, kann dies zu Schäden am Treiberbaustein und auch am Motor führen. Wird die Ursache für den Überstrom beseitigt und die Schaltung erneut gestartet, ist dagegen wieder ein normaler Betrieb möglich. In einigen Anwendungen kann das OCP-Feature Schmelzsicherungen vollständig entbehrlich machen. Anstelle von zwei Stromversorgungen (eine für die Logik- und eine für die Treiberschaltungen) besitzen die meisten der neuesten Schrittmotor-Treiber einen integrierten Regler und kommen deshalb mit einer einzigen Stromversorgung aus. Aufgrund dieser Single-Supply-Technik werden weniger externe Kondensatoren benötigt, was die Systemkosten senkt und das Layout und Routing der Leiterplatte vereinfacht. Nicht zuletzt wird durch dieses Designkonzept ein spezielles Sequencing beim Ein- und Ausschalten der Stromversorgungen überflüssig.

Der Mixed-Decay-Modus und die GSP-Funktion sind Merkmale einer Schaltung, die in einem Bewegungssteuerungs-System elektrisch mit dem Motor verbunden ist.

Externe Verbindungen können ein ungewolltes Zuführen oder Abfließen von Strömen verursachen, was wiederum Bewegungen des Schrittmotors und entsprechende Positionierungsungenauigkeiten auslösen kann. Die GSP-Funktion unterbindet einen fehlerhaften Betrieb des Motortreiber-ICs oder irgendwelcher anderen ICs, die an derselben Vcc-Leitung liegen. Mit GSP hat der Designer die Gewissheit, dass eine abgeschaltete Schaltung auch tatsächlich abgeschaltet ist. Restladung in einem Kondensator oder an anderen externen Eingängen lösen keine Schrittbewegungen oder ein fehlerhaftes bzw. unerwartetes Verhalten aus.

Der Mixed-Decay-Modus des Treibers verbessert die Fähigkeiten zur Ansteuerung des Schrittmotors. Ein linear veränderliches Decay-Verhältnis (FAST/SLOW) verhindert eine Verzerrung des Ausgangsstroms während des Abfalls, die störende Geräusche und Vibrationen erzeugen könnte. In Bild 3 ergibt sich bei langsamem Abfall (Slow Decay) eine Verzerrung, doch ein Angleichen der VDS-Einstellung (Variable Decay Setting) macht es möglich, einen definierten Stufenverlauf zu realisieren. Der MTH-Anschluss (bei Bauelementen mit diesem Feature) ermöglicht die Wahl zwischen den Betriebsarten Fast, Slow und Mixed Decay.

Bei Schrittmotor-Treibern ist ein langsames Abfallen des Ausgangsstroms kein Mangel, sondern sogar erstrebenswert, um einen gleichmäßigen Drehmomentverlauf zu erzielen. Allerdings wird bei hohen Pulsraten und bei Betrieb mit hoher Drehzahl ein schnelles Abfallen des Ausgangsstroms gewünscht. Hier bewährt sich die Mixed-Decay-Betriebsart: der Designer kann (angepasst an die Eigenschaften des Motors und die Anforderungen der Applikation) die Abfallrate variieren und die Ansteuerung optimieren.

Die Eindämmung von Vibrationen, die durch verzerrte Signalverläufe hervorgerufen werden, kann in sensiblen Anwendungen von entscheidender Bedeutung sein. Ein Beispiel sind Scanner, bei denen der Scannerkopf gleichmäßig über ein Objekt oder eine Fläche bewegt werden muss, ohne dass es durch ruckartige Bewegungen des Motors zu Verzerrungen kommt.

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