a3938s an jp

アプリケーション・ノート
VER1.4
名
日 付
2011(平成23)年6月23日
担 当
技 術 本 部 P P D 事 業 部
モ ー タ 技 術 2 グ ル ー プ
A3938S
称
本資料は、アレグロマイクロシステムズ社製3相ブラシレスDCモータコント
ローラA3938Sに関する製品の特徴、ご使用方法等をまとめたものです。本
資料は、アレグロマイクロシステムズ社からの情報を日本語のアプリケーション
として作成したものです。
最新の情報に関しては、弊社担当部門まで問い合わせ願います。
1.
はじめに
:P2
2.
特徴
:P3
3.
製品仕様
:P4
4.
外形図
:P7
5.
内部ブロック図&Pin配列
:P8
6.
応用回路例
:P10
7.
機能説明
:P11
8.
アプリケーション情報
:P15
9.
動作波形図
:P22
A3938S
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サンケン電気株式会社
1. はじめに
A3938Sはバイポーラ駆動3相ブラシレスDCモータードライバーです。
本製品は高いゲート駆動能力を有しており、広範囲におけるnチャネルPOWER MOSFE
Tを駆動できます。
またモーター電源電圧は50Vまで対応可能です。
内蔵のブートストラップ回路は外付けのソース側POWER MOSFETを駆動するための
ものであり、必要とされる外付け部品の数を最小限にしています。
また、この回路は外付けPOWER
MOSFETのゲート電圧を監視しており,MOSFET
のゲート電圧がターンオンに切り替わる前にゲート電圧が適当な電圧かどうかチェックしていま
す。
A3938Sは固定OFF時間方式の電流制御機能を有しています。この電流制御機能によって、
最大負荷電流を設定された値に制御しています。この最大負荷電流の設定は入力リファレンス電圧
と外付けのセンス抵抗によって決まります。
また、固定OFF時間はRC端子に接続する外付けのRC定数によって決まります。
さらに、PWM端子でモーターのスピードやトルクを制御することができ、内部の電流制限回路
を過電流制限回路として使用する事も出来ます。
A3938Sは、同期整流回路を有しています。この同期整流回路の特徴は、PWMのOFF期
間(電流回生期間)において、外付けPOWER MOSFETのボディーダイオードに流れてい
た回生電流をショートすることです(この間、回生電流は外付けPOWER MOSFETのドレ
インからソースに向かって流れます)。
これにより、外付けPOWER
MOSFETの損失を減らし、本来必要とされていた外付けク
ランプダイオードを削除でき、さらにはより経済的な外付けPOWER MOSFETの選択の可
能性があります。
A3938Sは120度間隔で配置されているホールセンサーのコミュテーション論理回路を
有しており、ホール入力端子は内部の5V基準電圧にプルアップされています。
また、外付けPOWER
MOSFETの保護として、ブートストラップコンデンサによる放電
電流監視回路、低電圧監視回路、出力地絡検知回路、過熱保護回路を有しています。
部品番号接尾辞の「S」は動作温度範囲−20℃∼85℃を示しています。
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2. 特徴
・ 広範囲における外付けNチャネルPOWER MOSFET駆動可能
・ 同期整流内蔵
・ 外付けPOWER
MOSFET保護機能内蔵
・ 貫通電流防止のためのデッドタイム設定可能
・ 電源電圧低下時もしくはリセット入力時におけるモーター惰走モード/ダイナミックブレ
ーキモード選択可能
・ Slow、Fastの電流回生方式を選択可能
・ 内部PWM電流制御回路内蔵
・ 出力地絡保護回路内蔵
・ 異常動作検知出力機能内蔵
・ 過熱保護回路内蔵
・ 低電圧保護機能内蔵
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3. 製品仕様
3−1
絶対最大定格(Ta=25℃)
項
目
主電源電圧
レギュレータ電圧
Logic 入力電圧
検 出 電 圧
出力電圧
ジャンクション温
度(*1)
動 作 周 囲 温 度
保 存 温 度
パッケージ許容損失(*2)
(*1)
記 号
VBB
VREG
VIN
VSENSE
VSX
VGHX
VCX
TJ
Ta
Ts
PD
規
格 値
50
15
−0.3∼VLCAP+0.3
−5∼1.5
−5∼50V
−5∼VBB+17
VSX+17
150
−20∼85
−55∼150
2.45
単位
V
V
V
V
V
V
V
℃
℃
℃
W
備
考
VSA, VSB, VSC
VGHA, VGHB, VGHC
VCA, VCB, VCC
A3938SLD(*3)
ジャンクション温度(Tj)が+150℃を越すような異常条件下で使用した場合、デバ
イス内のサーマルシャットダウン回路が動作しますが、このような条件下での使用は、
(*2)
極力、避けて下さい。
周囲温度(Ta)が+25℃以上の場合は、−19.6mW/℃にてディレーティングが
必要となります。(減定格の項参照)
(*3)
JEDEC基準4層基板(High K)にて測定。
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3−2
電気的特性(特に断りなき場合、Ta=25℃、VBB=18V∼50V、CLCAP=0.1μF,
CBOOT=0.1μF, CREG=10μF,fPWM =22.5KHz,2 相アクティブ状態)
電力供給部(Supply
項
目
Current)
MIN
TYP
MAX
単
位
定
記号
格
条
件
主電源電流
IBB
−
−
8.0
mA
RESET=H
モーター停止状態
リファレンス電圧
VLCAP
4.75
5.0
5.25
V
ILCAP=−3mA
10.8
−
13.2
V
VBB=VREG
−
VBB−2.5
−
V
12.4
13
13.6
V
−
25
−
mV
−
40
−
mV
VBB=VREG時
電源電圧範囲
VREG
13.2V≦VBB≦18V
IREG=−10mA
18V≦VBB≦50V
IREG=−10mA
IREG=−1mA∼−30mA
モータ停止状態
IREG=−10mA
モータ停止状態
レギュレータ電圧
⊿VREG(⊿
VREG 電圧レギュレーション
IREG)
⊿VREG(⊿VBB)
デジタル入力部(Digital
項
目
記号
VIH
VIL
IIH
Logic 入力電流
IIL
最大 PWM 入力 OFF 時間 tpwmoff
Logic 入力電圧
ゲートドライブ部(Gate
項
目
記号
LowSide 出力電圧
HighSide 出力電圧
PullDown スイッチ ON 抵抗
PullUp スイッチ ON 抵抗
LowSide 出力スイッチ
ング時間
VGLXH
VGHXH
rDS(ON)L
rDS(ON)H
trGLX
tfGLX
Logic
MIN
2.0
−
−30
−50
Level)
定 格
単
TYP
MAX 位
−
−
V
−
0.8
V
−
−90 μA
−
−130 μA
150
ns
Drive)
定
MIN
VREG−0.8 VREG−0.5
10.4
11.6
−
4
−
14
−
120
−
60
件
VIH=2V
VIL=0.8V
−
12.8
−
−
−
−
単
位
V
V
Ω
Ω
ns
ns
IGLX=0
IGHX=0
IGX=50mA
IGX=−50mA
Cload=3300pF
格
TYP
条
MAX
条
件
Cload=3300pF
trGHX
−
120
−
ns
Cload=3300pF
最大デッドタイム
最小デッドタイム
tdead(max)
tdead(min)
−
−
−
−
−
60
220
110
5.5
100
−
−
−
−
−
ns
ns
ns
μs
ns
Cload=3300pF
GHX,GLX rising Cload=3300pF
(PWM to Gate Output)
tfGHX
tpr
tpf
HighSide 出力スイッチ
ング時間
伝播遅延時間
GHX,GLX falling Cload=3300pF
GHX to GLX VDEAD=0V Cload=0
GLX to GHX IDEAD=780μA Cload=0
※1:Typ データは設計情報として使用して下さい。
※2:表中の負電流は製品端子から流れ出る電流を示しております。
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特に断りなき場合、Ta=25℃、VBB=18V∼50V、CLCAP=0.1μF,CBOOT=0.1μF,
CREG=10μF,fPWM =22.5KHz,2 相アクティブ状態
ブートストラップ部(Bootstrap Capacitor)
定 格
単
項
目
記号
Bootstrap 充電電流
Bootstrap 出力電圧
Bootstrap 抵抗
ICX
VCX
rCX
電流制限回路(Current
項
MIN
100
10.4
−
目
ブランキング時間
RC 端子充電電流
RC 端子閾値電圧
Vio
ISENSE
IREF
tblank
IRC
VRCL
VRCH
保護回路部(Protction
項
目
MAX
−
12.8
12.0
記号
定
MIN
−
−
−
−
−0.9
1.0
2.7
格
TYP
−
±25
0
0.91
−1.0
1.1
3.0
MAX
±5.0
−
−
−
−1.1
1.2
3.3
定
格
モーター地絡モニター
ICX
VDSH
低電圧保護閾値電圧
UVLO
FAULT 端子出力電圧
VFAULT
IBRAKE
ダイナミックブレーキ時
ローサイド GATE 電圧
VGLBH
−
6.6
−
過熱保護動作温度
過熱保護ヒステリシス
Tj
⊿Tj
−
−
165
10
−
−
BRAKE コンデンサ充電電流
単
位
mV
μA
μA
μs
mA
V
V
条
件
0V≦VIC≦1.5V
0V≦VIC, VID≦1.5V
0V≦VIC, VID≦1.5V
RT=56KΩ,CT=470pF
Circuitry)
MIN
−
1.3
9.2
8.6
−
−
Bootstrap 充電閾値電流
条 件
位
mA
V VSX=0V,ICX=0,VREG=13V
Ω
ICX=−50mA
Limit Circuit)
記号
入力オフセット電圧
SENSE 入力電流
REFERENCE 入力電流
TYP
−
11.6
9.0
TYP
-9.0
2.0
9.7
9.1
−
30
MAX
−
2.7
10.2
9.6
0.5
−
単
条 件
位
mA
V VBB−VSX,High side on
V
Increasing VREG
V
Decreasing VREG
V
IO=1mA
μA VBB=8V ,BRKSEL=H
VBB=0V ,BRKCAP=8V
V
℃
℃
※1:Typ データは設計情報として使用して下さい。
※2:表中の負電流は製品端子から流れ出る電流を示しております。
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4.
外形図
4−1
38ピンLDパッケージ
(38ピン
LDパッケージ)
[単位:mm]
参考ランドパターン図

リード間隔の許容誤差は累積とはなりません。
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5.
内部ブロック図&Pin配列
5−1
内部ブロック図
※
※ 12V アプリケーションの場合、必ず VREG 端子を VBB 端子とショートしてください。
この場合、VREG 端子の絶対最大定格である 15V を越えないようにして下さい。
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5−2
Pin配列
Pin 番号
A3938SLD-T
36
1
2
3
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
19
20
21
22
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
4、5、18、23、37、38
記号
機能
PGND
RESET
GLC
SC
GHC
CC
GLB
SB
GHB
CB
GLA
SA
GHA
CA
VREG
LCAP
FAULT
MODE
VBB
H1
H3
H2
DIR
BRAKE
BRKCAP
BRKSEL
PWM
RC
SENSE
REF
DEAD
AGND
N/C
パワーGND
リセット入力端子
ローサイドゲート出力端子(C相)
出力端子(C相)
ハイサイドゲート出力端子(C相)
ブートストラップ電圧端子(C相)
ローサイドゲート出力端子(B相)
出力端子(B相)
ハイサイドゲート出力端子(B相)
ブートストラップ電圧端子(B相)
ローサイドゲート出力端子(A相)
出力端子(A相)
ハイサイドゲート出力端子(A相)
ブートストラップ電圧端子(A相)
内部レギュレータ端子
ロジック出力端子
異常状態出力端子
回生電流方式(SLOW FAST)選択端子
主電源入力端子
ホール素子電圧入力端子
ホール素子電圧入力端子
ホール素子電圧入力端子
回転方向入力端子
ブレーキ入力端子
シンクゲート電圧供給端子(ブレーキ時)
ブレーキオプション端子
外部PWM制御端子
内部PWMタイマー設定端子
電流検出端子
内部PWM制御電流設定端子
デッドタイム設定端子
アナログGND
オープン(未接続)端子
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6.
応用回路例
VBB
LCAP
VBB
C1
R2
R3
DEAD
FAULT
CA
CCA
IRF280
7
GHA
REFIN
RHA
C3
SA
R4
RLA
REF
Hall
Sensor
R5
H1
H2
H3
CB
CCB
IRF280
7
GHB
RHB
CREF
C4 CP2
IRF280
7
GLA
CP1
SB
Micro
Processor
BRAKE
BRKSEL
DIR
RESET
MODE
PWM
GLB
CC
IRF280
7
RLB
CCC
IRF280
7
GHC
RHC
RC
SC
CT
RT
RLC
BRKCAP
C5
IRF280
7
GLC
PGND
AGND
SENSE
VREG
RF
RS
C2
CF
RS:0.125Ω
C1:0.1μF/10V
C2:10μF/16V
R2:5.1KΩ
C3:47μF/63V
R3:5.1KΩ
C4:0.22μF/63V
R4:14KΩ
C5:4.7μF/25V
R5:2KΩ
CCA∼CCC:0.1μF/63V
RT:56KΩ
CT:470pF
RHA∼RHC:10Ω∼100Ω CF:0.001μF
RLA∼RLC:10Ω∼100Ω CREF:0.1μF
RF:300Ω
CP1:1000μF/63V
CP2:0.1μF
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7.
機能説明
① リセット(RESET)
リセット端子はA3938SをENABLEにするための端子で、IC内部でVLCAP
(+5V)にプルアップされています。
リセットがHの時、BRKSELの論理状態によって、モーターが惰走モードかもし
くはブレーキモードになります。
リセットがLの時、A3938Sはコミュテーションロジックに従って外付けNMO
SFETのゲートをドライブします。
リセットがHの時、BREAK端子の信号は無視されます。
② ローサイドゲート(GLA/GLB/GLC)
GLA/GLB/GLCは、ローサイドの外付けNMOSFETを駆動するためのゲ
ート端子になっています。
外部のシリーズゲート抵抗(できるだけ外付けNMOSFETのゲートの近くに配置
してください)は外付けNMOSFETのゲートにおけるスルーレートを調整できます。
このスルーレートは各相の出力であるSA/SB/SCのdv/dt及びdi/dt
を制御します。
GLXがHの時、A3938S内部のPMOSFETがON状態となり、このPMOS
FETのドレインから電流が供給され、ローサイドの外付けNMOSFETのゲートをド
ライブします。
GLXがLの時、A3938S内部のNMOSFETがON状態となり、このNMOS
FETのドレインから電流が引き抜かれ(電流がSINKされます)、ローサイドの外付
けNMOSFETのゲートをOFFにします。
③ 出力端子(SA/SB/SC)
SA/SB/SC端子は直接モーターに接続されます。この端子はスイッチングの際
の端子電圧を監視しています(地絡モードの有無を監視しています)。
また、この端子はブートストラップコンデンサのマイナス側とも接続されており、フ
ローティングのハイサイド外付けNMOSFETに対してマイナス側の端子となってい
ます。
④ ハイサイドゲート(GHA/GHB/GHC)
GHA/GHB/GHCは、ハイサイドの外付けNMOSFETを駆動するためのゲ
ート端子になっています。
外部のシリーズゲート抵抗(できるだけ外付けNMOSFETのゲートの近くに配置
してください)は外付けNMOSFETのゲートにおけるスルーレートを調整できます。
このスルーレートは各相の出力であるSA/SB/SCのdv/dt及びdi/dt
を制御します。
GHXがHの時、A3938S内部のPMOSFETがON状態となり、このPMOS
FETのドレインから電流が供給され、ハイサイドの外付けNMOSFETのゲートをド
ライブします。
GHXがLの時、A3938S内部のNMOSFETがON状態となり、このNMOS
FETのドレインから電流が引き抜かれ(電流がSINKされます)、ハイサイドの外付
けNMOSFETのゲートをOFFにします。
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⑤ ブートストラップ端子(CA/CB/CC)
CA/CB/CCはブートストラップコンデンサのプラス側に接続され、外付けのハ
イサイドNMOSFETをドライブするために使われます。
ブートストラップコンデンサは出力であるSX端子がLの時に、おおよそVREG電圧に
なるまで充電されます。
この出力がHに切り替わるのに同期して、ブートストラップ端子電圧も上昇します。
そして、この昇圧された電圧はハイサイドの外付けNMOSFETのゲートをドライ
ブします。
⑥ FAULT
FAULT端子はオープンドレイン出力となっています。
下記に示すFAULTモード(異常モード)が検知された場合、FAULT端子はH
に出力されます(FAULT端子は外部でプルアップする必要があります)。
・
・
・
・
HALL端子への誤入力
VREGの低電圧検知時(VREGのUVLO検知時)
過熱保護動作時
出力端子が地絡したとき
出力端子が地絡したときは、ハイサイドの外付けNMOSFETのみがOFFとなり
ます。
それ以外のFAULTモードを検知した場合は、全ての外付けNMOSFETをOF
Fにします。
地絡モードだけはラッチされますが、コミュテーションごとに解除されます。
地絡モードを検出してモーターが停止した時は、RESET端子を再入力するか、も
しくは電源を再投入することによってこのFAULTモードが解除されます。
通常、FAULT端子は外部(VLCAP端子に5.1KΩの抵抗)でプルアップする必
要があります。
⑦ モード端子(MODE)
モード端子は電流回生方式を設定する端子であり、内部でVLCAP(+5V)にプ
ルアップされています。
SLOW DECAYモードの時は(MODE:H)、PWMOFF期間において、
ハイサイドの外付けNMOSFETのみがOFFとなります。
FAST DECAYモードの時は(MODE:L)、PWMOFF期間において、
ハイサイド及びローサイドの外付けNMOSFETがOFFとなります。
⑧ ホール入力端子(H1/H2/H3)
H1/H2/H3はホールセンサーの入力端子となっており、内部でVLCAP(+5
V)にプルアップされています。ホールセンサーはお互いが電気角120℃の間隔をもっ
て配置されています。
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⑨ DIR
DIR端子はモーターの回転方向を決める端子です(P21のコミュテーション表を
参照ください)。
DIR端子は内部でVLCAP(+5V)にプルアップされています。
⑩ ブレーキ端子(BRAKE)
ブレーキ端子は、モーターにブレーキをかけるための端子で、ブレーキ端子がHの時
にブレーキモードとなります。
ブレーキ端子がHの時に、ローサイドの外付けNMOSFETがONとなり、ハイサ
イドの外付けNMOSFETはOFFとなります。
これにより、モーターに発生しているBEMF(逆起電圧)を効果的にショートし、
モーターにブレーキをかけます。
ブレーキ端子は内部でVLCAP(+5V)に50KΩでプルアップされており、リセ
ット端子Hの信号により、ブレーキ端子の信号は無視されます。
⑪ BRKCAP
BRKCAP端子にはコンデンサが接続されていて、電源OFF時にSINK側のゲ
ート出力に電圧を供給する仕組みになっています。
4.7μFのコンデンサで6.5Vのゲートドライブ出力を300ms 持続できます。
電源OFF時のブレーキオプションが必要ない場合(BRKSEL:L時)は、この
端子はVREG電圧を出力します。
⑫ BRKSEL
BRKSELはロジック入力で、電源OFF時もしくはRESETがHの状態におけ
るブレーキの有無を選択できます。
BRKSEL端子は内部で50KΩの抵抗でLCAPにプルアップされており、BR
KSELがLのときは惰走モード、BRKSELがHのときはブレーキモードになります。
⑬ PWM
PWM端子はモーターの回転スピードを制御する端子で、内部でVLCAP(+5V)
にプルアップされています。
PWM端子がLの時、選択された外付けNMOSFETがOFFとなります。
PWM端子がHの時、ホール入力端子(H1/H2/H3)で決められた外付けNM
OSFETがONになります。
PWM端子をHに固定した場合、モーターのスピード及びトルクの制御は、内部PW
Mの電流制限によってのみ決まります(電流制限値はREF端子に入力する電圧で決まり
ます)。
P21の入力論表を参照ください。
⑭ RC
RC端子は、内部PWMにおける固定OFF時間を決定するための端子です。
固定OFF時間は外付け抵抗(RT)と外付けコンデンサ(CT)で決まります。
また、ブランキング時間(tBLANK)は外付けコンデンサ(CT)によって決まりま
す。
固定OFF時間は10μs以下にならないようにしてください。
また、抵抗(RT)は10KΩ∼500KΩの範囲で選択してください。
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⑮ センス端子(SENSE)
センス端子は内部の電流制御コンパレータにつながっています。
このセンス端子電圧はPWMのON期間における負荷電流を示しています(外付けセ
ンス抵抗での電圧ドロップがセンス端子に発生します)。
そして、この電圧ドロップがREF端子に入力した電圧に達すると、内部のコンパレ
ータが反転して、固定OFF期間の間、負荷電流は電流回生を行います。
⑯ リファレンス端子(REF)
リファレンス端子は内部の電流制御コンパレータにつながっています。
この電圧(AGNDを基準にしています)は負荷電流のピーク値(IPEAK)を設定
しています。
IPEAK=VREF/RS
⑰ VREG
VREG端子は13V出力端子となっています。
この電圧は、ローサイドの外付けNMOSFETのゲートドライブおよびブートスト
ラップコンデンサの充電を行います。
VREG端子AGND端子間に10μFのデカップリングコンデンサ(ESRは1Ω
以下)をA3938Sのできるだけ近いところに装着することを推奨します。
VREG端子から外部負荷を追加する場合は、外付けのNMOSFETを駆動する電
流やPWM周波数による内部消費電流の大きさによりますので注意してください。
⑱ 電源端子(VBB)
VBBはA3938Sの電源端子となっています。
VBB端子AGND端子間にデカップリングコンデンサをA3938Sのできるだ
け近いところに装着することを推奨します。
12Vアプリケーションで使用する場合、この端子をVBBとショートしてください。
⑲ LCAP
LCAP端子は5Vの出力端子となっています。
この端子には、0.1μFのデカップリングコンデンサを装着してください。
この端子から、DEAD端子入力、及びFAULT端子に流れる電流を合計3mA以
下にして下さい。
⑳ DEAD端子
DEAD端子は外付けNMOSFETのデッドタイムを設定する端子です。
DEAD端子とLCAP端子間の抵抗は外付けNMOSFETがOFFしてから他
の外付けNOSFETがONするまでの時間を設定します。
このデッドタイムは外付けNMOSFETの貫通電流を防ぐために必要となります。
抵抗は5.6KΩ∼470KΩの間で使用してください。これで、デッドタイムを1
00nsから5.5μsに設定できます。
tdead[ns]=37+{(11.9×10−3)×(Rdead[Ohm]+500)}
デッドタイムはゲートドライバーのRC負荷(シリーズゲート抵抗と外付けDMOS
FETのゲート容量)によっても変化します。
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8.
アプリケーション情報
① アナロググランド(AGND)
アナロググランド端子(AGND)は基準電圧点となっています
② パワーグランド(PGND)
パワーグランドはローサイドの外付けNMOSFETから電流が返ってくる端子と
なっています。
この端子は、システムのパワーグランドと接続する必要があります。
③ 同期整流
外付けNMOSFETの損失を低減するために、A3938Sの内部論理回路は負荷
電流が回生している期間(PWMOFF期間)に適切な外付けNMOSFETをONさせ
ています。
同期整流は、負荷電流が回生している期間、負荷電流を外付けDMOSFETのボデ
ィーダイオードで経由させるのではなく、MODE端子にて選択された外付けNMOSF
ET自身にて負荷電流を回生させます。
同期整流ENABLE時においては、外付けNMOSFETのボディーダイオードは
PWMにおけるデッドタイムの期間にのみ電流が流れます。
④ デカップリング
内部基準電圧であるVREGは内部のゲートドライブ回路に電流を供給しています。
外付けNMOSFETのゲートがドライブされる時、過渡的な電流が外付けのデカッ
プリングコンデンサから供給されます。
このコンデンサはVREG端子のできるだけ近くに装着してください。
また、容量値につきましては、少なくとも外付けNMOSFETゲート容量の20倍
のものを使用ください。
さらに、1nF以上のデカップリングコンデンサをLCAP−AGND間に装着して
ください(両端子のできるだけ近いところに装着してください)。
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⑤ デッドタイム
デッドタイムは外付けNMOSFETの貫通電流を防止するために必要となります。
デッドタイムは外付けNMOSFETがOFFしてから他の外付けNMOSFETがO
Nするまでの時間となっています。
貫通電流は、同期整流・モーターの方向変換(DIR端子信号の変化)・PWM動作
時、あるいはブートストラップコンデンサ充電後に発生する可能性があります。
デッドタイムはDEAD端子−LCAP端子間の抵抗Rdeadにて設定できます(設
定時間は100ns∼5.5μsまでです)。
外付けのNMOSFETと外付けの直列抵抗によって、デッドタイムの抵抗Rdea
dが決まります。
デッドタイムは外付けのNMOSFETのゲート容量と外付けの直列抵抗ばらつき
を考慮して、余裕を持った設計をすることをお勧めします。
⑥ 保護回路
A3938Sは下記に示す5つの保護回路を有しています。
(1)ブートストラップ回路
ブートストラップコンデンサはローサイドの外付けNMOSFETがON状
態の間に充電されます(電流回生時のSX端子がLになった時にも充電されます)。
この充電は通常動作の間、常に行われます。
外付けのハイサイドNMOSFETは、ブートストラップコンデンサにおおよ
そ9mAの充電電流が流れるまではONできませんが、この保護回路が働いた時に
FAULT端子に信号が出力されることはありません。
(2)ホール端子への誤入力
ホール端子への不適切なコード入力(000もしくは111)は異常状態とみ
なし、モーターを停止させます。
ホール端子への入力線にノイズがのりやすい場合、コードエラーが発生する可
能性があります。
システムによっては、外付けのプルアップ抵抗を下げ、フィルターを挿入する
必要があります。
(3)VREGの低電圧検知(VREGのUVLO)
内部の基準電圧はローサイドの外付けNMOSFETを駆動し、またブートス
トラップコンデンサに充電を行います。
ここで、外付けのNMOSFETを駆動する際に、VREGの電圧レベルが適切
かどうかを監視することは重要となっています。
低電圧監視回路は電源投入時においては、ACTIVE状態(パワーオンリセ
ット状態)になっており、VREG 電圧がおおよそ10Vになるまでは、モーターを
停止状態にします(全てのゲートドライブ端子:GHX、GLXを0Vにします)。
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(4)過熱保護
ジャンクション温度が165℃を越えた場合、FAULT信号が発生し、モー
ターが停止状態になります(全てのゲートドライブ端子:GHX、GLXを0Vにしま
す)。ジャンクション温度が155℃以下に低下すると、FAULT信号が解除さ
れます。
(5)出力端子地絡
A3938Sは出力端子が地絡した場合、FAULT信号が発生します。
出力端子の地絡が生じた場合、ON状態にある外付けのハイサイドNMOSF
ETのドレイン−ソース間電圧(VBB端子−SX端子間電圧)が2Vを越えます。
このFAULTはコミュテーションが切り替わるたびに解除されます。
FAULT信号によってモーターが停止した場合、RESET端子を再入力す
るか、もしくは電源を再投入することによってこのFAULTモードが解除されま
す。
⑦ 電流制御
内部の固定OFF時間PWM回路は負荷電流制限値を設定します。
ハイサイドおよびローサイドの外付けDMOSFETがON状態になると、負荷電流
がモーターを経由して流れ始め、下記に示す値(ITRIP)に達するまで負荷電流が増え
つづけます。
ITRIP=VREF/RS
電流がITRIPに達すると、ソースのENABLEラッチ(PWMのON状態)を解
除し、ハイサイドの外付けNMOSFETをOFFにします。
これにより、負荷インダクタンスは固定OFF時間の間、電流の回生を行います(D
ECAYモード)。
電流回生期間の電流経路は、MODE端子の入力で決まります。
外付け抵抗(RT)と外付けコンデンサ(CT)は、RC端子−AGND端子間に装
着され、この抵抗とコンデンサで固定OFF時間を設定します。
toff=RT×CT
RTは10KΩ∼500KΩの間で使用してください。
toffは10μs∼50μsの間で設定してください。これよりもtoffが大きくな
る場合は、モーターのうなりが発生する場合があります。
トルク制御はPWM端子入力がHに固定されている場合、REF端子の入力電圧に
よって決まります。
PWM端子で直接モーターのスピードあるいはトルクの制御を行う場合は、REF端
子に入力する電圧は、最大負荷電流に設定することができます。
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⑧ PWM BLANK
外付けコンデンサ(CT)は、toffに加えてブランキング時間を設定します。
PWMOFF期間が終了すると,コミュテーションに従ったハイサイドの外付けNM
OSFETがON状態になります。
この時、外付けNMOSFETのボディーダイオードのリカバリー時間(trr)中
に大きな過渡電流が発生します。この電流による電流制御コンパレータの誤検知を防ぐた
めに、ブランク機能は下記に示す期間(tblank)、電流制御コンパレータをDISAB
LEにします。
tblank=1.9×CT/{0.001−(2/RT)}
この過渡電流が流れる期間に対して十分なブランキング時間を設定する必要があり
ます。
⑨ Braking
A3938Sはブレーキ機能を有しており、ハイサイドの外付けNMOSFETを全
てOFF、ローサイドの外付けNMOSFETを全てONにします。
これにより、モーターに発生しているBEMF(逆起電圧)を効果的にショートし、
モーターにブレーキをかけます。
ブレーキの間、負荷電流は下記の式で与えられます。
IBRAKE=VBEMF/RL
ブレーキの間、負荷電流はセンス抵抗を経由しないため、上記で与えられた負荷電流
(IBRAKE)が、外付けNMOSFETの電流定格を越えないように注意して下さい。
RESET端子がHの場合、BRAKE端子の信号は無視され、BRKSEL端子に
て設定された状態でラッチされます。
⑩ Power Loss Brake
BRKSEL端子とBRKCAP端子は、電源OFF時にブレーキをかけた時のオプ
ション端子です。
BRKSEL端子に入力するロジック信号によって、VREG低電圧時もしくはRE
SETがHの時にモーターに対してダイナミックなブレーキをかけるか惰走モードにす
るかを決定します。
BRKCAP端子に接続するコンデンサは電源電圧が落ちた時でも、シンク側の外付
けMOSFETのON状態を維持するためのものです。BRKSEL端子がHの時、ブレ
ーキモード、BRKSEL端子がLの時、惰走モードになります。
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⑪ Low−Voltage Operation
12Vアプリケーションの場合、VREG端子はVBB端子に接続しますが、VREG端子
の最大定格である15Vというのは、過渡的な電圧も考慮されたものとなっています。
この過渡電圧が制御できない場合、VREG端子をレギュレータモード(VBBと接続し
ない)として使用してください。
VBBが18V以下でVREG端子をVBBと接続しない場合、VREG出力電圧はスペック
を満たさない可能性があります。
この使用法において、VBBが12V以下になった場合、VREG端子の低電圧検出電圧
(UVLO)とVREG出力電圧の間にマージンがないことをご了承ください。
⑫ Driving an H Bridge
A3938Sはホール端子入力を1つに固定(例えば、H1=H2=H、H3=Lな
ど)することで、1つのHブリッジをドライブすることが可能です(ブラシレスDCモー
タ負荷など)。
この場合、使用していない相のドライバー出力をフローティングにして下さい(上記
の場合、CC,GHC,SC,GLCをフローティングにして下さい)。
DIR端子入力は、モーターの回転方向を制御します。一方でPWM、MODE、S
R、端子入力は入力論理表に従って負荷電流を制御します。
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⑬ Layout
高周波数、高速スイッチングおよび高電流の設計の場合には、PCBのレイアウトに
注意を払ってください。
・
アナロググランド(AGND)、パワーグランド(PGND)および外付けNM
OSFETの高電流リターンライン(センス抵抗のマイナス側)はVBBに装着す
るバイパスコンデンサのマイナス側に対して、分離してGND接続してください。
これにより、A3938Sのロジック回路や、アナログ基準電圧へのスイッチン
グノイズの影響を最小限にします。
・
浮遊インダクタンスの影響を最小限にするため、全ての外付けNMOSFETに
対して、そのドレインおよびソースの配線を短く、広くとってください。
モーターのハーネス部、電源電圧入力部およびローサイドの外付けNMOSFE
Tのソース共通部も同様に、配線を短く、広くとってください。
これは、大きい負荷電流を高速スイッチングした時に発生するスイッチングノイ
ズを最小限にする効果もあります
・
センス抵抗のプラス側に対して、SENSE端子はケルビン接続をして下さい。
下図にA3938SLDの参考パターン図を示します。
A3938SLD参考パターン図
TBD
A3938S
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⑭ コミュテーションロジック表
コミュテーションロジック表を下記に示します。
⑮ 入力論理表
入力論理表を下記に示します
MODE
PWM
RESET
動作
0
0
0
PWMチョップモード、FAST DECAY、選択されていたドライバーと反対側のドライバーがON
0
1
0
PWMオンモード、選択されたドライバーのみON
1
0
0
PWMチョップモード、SLOW DECAY、両方のローサイドドライバーがON
1
1
0
PWMオンモード、選択されたドライバーのみON
X
X
1
全てのドライバーがOFF、FAULT信号解除(BRKSEL=L)
⑯ PWM オフ入力について
PWM 端子に入力される OFF 時間が極端に短い場合、IC が誤動作を起こして出力の
Duty を減少させる現象が発生します。この現象を避けるために、PWM 端子に入力さ
れる OFF 時間は 150ns 以上となる様設定してください(ただし、PWM=H 100%であ
ればこの現象は起きません)。
⑰ 出力 Duty 飽和現象について
ブートコンデンサへの充電が完了しないまま PWM=H 信号を入力しても、出力が追従
しないケースがありますので注意ください。すなわち、PWM 入力 Duty を高くして
も出力が追従せず、Duty が頭打ちになる可能性があります。
ブートコンデンサへの充電時間 dt は以下の式により与えられます。
dt(max)=│12*Cboot*ln(0.06 /((Qg/Cboot)+0.06 ))│
dt(typ)=│ 9*Cboot*ln(0.063/((Qg/Cboot)+0.063))│
dt:ブートコンデンサへの充電時間(s)
Qg:外付け MOSFET のゲート容量(C)
Cboot:ブートコンデンサの容量値(F)
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9.動作波形図(VBB=18V,ホール素子電源=5V、アレグロ社製デモボード使用)
① PWM信号入力:Duty100%H時
DIR:H、MODE:H時
DIR:H、MODE:H時(拡大図)
H1
H1
H2
H2
H3
H3
SENSE
SENSE
CHOPPING
ON
DIR:H、MODE:L時
SLOW
DECAY
DIR:H、MODE:L時(拡大図)
H1
H1
H2
H2
H3
H3
SENSE
SENSE
CHOPPING
ON
A3938S
FAST
DECAY
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DIR:H、MODE:H時
DIR:H、MODE:H時(拡大図)
H1
H1
SA
SA
GHA
GHA
GLA
SLOW DECAY
(HIGH SIDE)
SLOW
(LOW
DECAY
SIDE)
GLA
CHOPPING
ON
DIR:H、MODE:L時
SLOW
DECAY
DIR:H、MODE:L時(拡大図)
H1
H1
SA
FAST DECAY
(HIGH SIDE)
FAST
(LOW
DECAY
SIDE)
SA
GHA
GHA
GLA
GLA
CHOPPING
ON
A3938S
FAST
DECAY
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DIR:H、MODE:H時
DIR:H、MODE:H時(拡大図)
モーター電流
( O U T 1
A)
H1
SENSE1電圧
SA
SB
OUT1A
SC
SLOW
DECAY
CHOPPING
ON
TERMINAL
FLOATING
DIR:H、MODE:L時
TERMINAL
FLOATING
SLOW
DECAY
OUT1B
SLOW
DECAY
DIR:H、MODE:L時(拡大図)
H1
H1
SA
SA
SB
SB
SC
SC
CHOPPING
ON
A3938S
FAST
DECAY
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DIR:H、MODE:H時
DIR:H、MODE:H時(拡大図)
モーター電流
(SA)
モーター電流
(SA)
H1
H1
SENSE
SENSE
CHOPPING
ON
DIR:H、MODE:L時
SLOW
DECAY
DIR:H、MODE:L時(拡大図)
モーター電流
(SA)
モーター電流
(SA)
H1
H1
SENSE
SENSE
CHOPPING
ON
A3938S
FAST
DECAY
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②PWM信号入力:Duty85%H時
DIR:H、MODE:H時
SLOW
(LOW
DECAY
SIDE)
DIR:H、MODE:H時(拡大図)
H1
H1
GHA
GHA
GLA
GLA
PWM
PWM
SLOW DECAY
(HIGH SIDE)
CHOPPING
ON
DIR:H、MODE:L時
SLOW
DECAY
DIR:H、MODE:L時(拡大図)
H1
H1
GHA
GHA
GLA
GLA
PWM
PWM
FAST DECAY
(HIGH SIDE)
FAST
(LOW
DECAY
SIDE)
CHOPPING
ON
A3938S
SLOW
DECAY
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DIR:H、MODE:H時
DIR:H、MODE:H時(拡大図)
I1
I1
SLOW
(LOW
DECAY
SIDE)
H1
H1
SA
SA
PWM
PWM
SLOW DECAY
(HIGH SIDE)
DIR:H、MODE:L時
CHOPPING SLOW
ON
DECAY
DIR:H、MODE:L時(拡大図)
I1
I1
H1
H1
SA
SA
PWM
PWM
FAST DECAY
(HIGH SIDE)
FAST
(LOW
DECAY
SIDE)
CHOPPING
ON
A3938S
FAST
DECAY
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DIR:H、MODE:H時
DIR:H、MODE:H時(拡大図)
I1
I1
H1
H1
SENSE
SENSE
PWM
PWM
SLOW
DECAY
CHOPPING
ON
DIR:H、MODE:H時
DIR:H、MODE:H時(拡大図)
I1
I1
H1
H1
SENSE
SENSE
PWM
PWM
SLOW
DECAY
CHOPPING
ON
A3938S
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③BRAKE時
DIR:H、MODE:H時
SLOW
DIR:H、MODE:L時
SA
SA
SB
SB
SC
SC
BRAKE
BRAKE
DECAY
FAST
DIR:H、MODE:H時
DECAY
DIR:H、MODE:L時
I1
I1
SENSE
SENSE
BRAKECAP
BRAKECAP
BRAKE
SLOW
BRAKE
DECAY
FAST
DECAY
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